Фермент, разрезающий вирусы, помогает бактериям запоминать угрозу
Бактерии могут не иметь мозга, но у них есть память, по крайней мере, когда речь идёт о вирусах, которые их атакуют. Многие бактерии обладают молекулярной иммунной системой, которая позволяет этим микробам захватывать и сохранять фрагменты вирусной ДНК, с которыми они сталкивались в прошлом, чтобы распознавать и уничтожать её при повторном появлении.
Исследование в Университете Рокфеллера, описанное в среду (18 февраля) в журнале Nature, даёт новое представление о загадочном процессе, с помощью которого эта система кодирует вирусную ДНК в геноме микроба для последующего использования в качестве «путеводителей» для ферментов, разрезающих вирусы.
«Микробы, как и позвоночные, имеют иммунные системы, способные адаптироваться к новым угрозам. Cas9, один из ферментов, используемых этими системами, использует иммунологические воспоминания, чтобы направлять разрезы вирусного генетического кода. Однако о том, как эти воспоминания приобретаются изначально, известно очень мало», — говорит доцент Лучано Марраффини, руководитель Лаборатории бактериологии. «Наша работа показывает, что Cas9 также направляет формирование этих воспоминаний у некоторых бактерий».
Эти воспоминания встроены в бактериальный эквивалент адаптивной иммунной системы, способной отличать полезные вирусы от вредных, — систему CRISPR (короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами). Она работает, изменяя геном бактерии, добавляя короткие вирусные последовательности, называемые спейсерами, между повторяющимися последовательностями ДНК. Эти спейсеры формируют воспоминания о прошлых захватчиках. Они служат направляющими для ферментов, кодируемых CRISPR-ассоциированными генами (Cas), которые разыскивают и уничтожают те же вирусы, если они снова попытаются заразить бактерию.
Способность Cas9 делать точные разрезы в геноме — вирусном или любом другом — привлекла внимание исследователей, которые теперь используют её для изменения генетики клеток в экспериментальных или терапевтических целях. Но до сих пор не до конца понятно, как именно эта система CRISPR работает в родных для неё бактериях.
Некоторые данные свидетельствовали, что другие ферменты Cas управляют процессом формирования памяти самостоятельно, без участия Cas9. Но из-за того, как Cas9 определяет место для разреза, исследователи, включая соавторов Роберта Хелера (аспиранта) и Пулами Самай (постдока в лаборатории), заподозрили роль Cas9 в создании памяти.
Помимо сопоставления своей направляющей CRISPR-последовательности с ДНК вируса, Cas9 должен найти рядом второй сигнал: последовательность PAM (мотив, соседний с протоспейсером) в вирусной ДНК. Это важный шаг, поскольку именно отсутствие последовательности PAM предотвращает атаку Cas9 на собственную ДНК бактерии, содержащую воспоминания.
«Поскольку Cas9 должен распознать последовательность PAM, прежде чем разрезать вирусную ДНК, нам показалось логичным, что Cas9 также будет распознавать последовательность PAM, когда система формирует память о первой встрече с вирусом», — говорит Хелер. «Это новая и неожиданная роль для Cas9».
Чтобы проверить гипотезу, Хелер поменял местами ферменты Cas9 между иммунными системами Streptococcus pyogenes и Streptococcus thermophilus, каждый из которых распознаёт разную последовательность PAM. В результате последовательности PAM последовали за ферментами, поменявшись местами между двумя бактериями, — это доказательство того, что Cas9 отвечает за идентификацию PAM во время формирования памяти. В другом эксперименте он изменил часть Cas9, которая связывается с последовательностью PAM, и обнаружил, что микробы начали приобретать целевые вирусные последовательности случайным образом, делая их бесполезными.
Самай, в свою очередь, изучила взаимосвязь между Cas9 и тремя другими ферментами Cas: Cas1, Cas2 и Csn2. Будучи компонентами одной и той же системы CRISPR, эти ферменты уже подозревались в участии в создании памяти без помощи Cas9.
Самай экспрессировала эти ферменты вместе, затем ме́тила каждый из них и пыталась очистить. Но каждый раз очищались все четыре. «Это указывает на то, что между ними существует какое-то взаимодействие; скорее всего, они образуют комплекс во время приобретения памяти», — говорит она.
«Из-за своей важности для биотехнологий Cas9 привлёк большой интерес своим действием по нацеливанию и расщеплению вирусных геномов. Наша работа раскрывает упущенную из виду роль Cas9: формирование воспоминаний, которые делают адаптивный иммунитет возможным для бактерий», — заключает Марраффини.