Бактериальные системы безопасности становятся предателями
CRISPR — система генов, которую бактерии используют для защиты от вирусов, — оказалась вовлечена в помощь некоторым бактериям в уклонении от иммунной системы млекопитающих. Результаты исследования будут опубликованы в воскресенье, 14 апреля, в журнале Nature.
CRISPR сама по себе является своеобразной иммунной системой для бактерий. Её функция была открыта исследователями молочной промышленности, стремившимися предотвратить порчу культур для сыра и йогурта бактериофагами. Бактерии включают небольшие фрагменты ДНК фагов в свой CRISPR-регион и используют эту информацию для борьбы с фагами, разрушая их ДНК.
Учёные из Отдела инфекционных заболеваний Медицинской школы Университета Эмори и Центра вакцин Эмори показали, что Francisella novicida (близкий родственник бактерии, вызывающей туляремию) и другая бактерия, вызывающая менингит, нуждаются в частях системы CRISPR для сохранения инфекционности. F. novicida, которая растёт внутри клеток млекопитающих, использует части CRISPR для отключения бактериального гена, который в противном случае спровоцировал бы обнаружение и уничтожение бактерии хозяином.
Поскольку отключение CRISPR создаёт ослабленный бактериальный штамм, легко распознаваемый иммунной системой, это открытие может ускорить разработку вакцин. Оно также служит важным напоминанием, что в биологии защитные инструменты могут быть использованы в целях скрытности.
«CRISPR-системы — это бактериальная защита, но мы обнаружили, что бактерии могут использовать их в наступательных целях, чтобы скрыться от иммунной системы хозяина и вызвать заболевание», — говорит Дэвид Вайсс, PhD.
Роль CRISPR в регуляции генов и уклонении от иммунитета хозяина оставалась относительно неисследованной, отмечает Вайсс.
Исследователи обнаружили, что бактериям необходим один из CRISPR-генов, чтобы отключить выработку липопротеина (части бактериальной клеточной мембраны) при заражении клеток млекопитающих. Для иммунных клеток липопротеин — как кровь в воде для акулы. Поэтому, чтобы выжить незамеченными, бактерии должны заглушить его производство.
Аспирант Тим Сэмпсон, первый автор статьи в Nature, выяснил, какие части системы CRISPR необходимы для отключения липопротеина. Система CRISPR состоит из генов, кодирующих несколько белков, а также включает небольшие фрагменты ДНК фагов в бактериальную ДНК в качестве «повторов». РНК, произведённая из повторов, направляет фермент Cas9 для разрезания ДНК фага.
Сэмпсон и Вайсс обнаружили, что часть CRISPR-системы F. novicida производит РНК, которая направляет Cas9 против гена липопротеина. Эта регуляторная система позволяет бактерии эффективно снижать уровень липопротеина в моменты, когда обнаружение может быть вредным, сохраняя его для его (всё ещё неясной) функции, когда бактерии находятся вне хозяина.
«То, что Cas9 регулирует бактериальный ген, а не разрезает ген фага, кажется новым, хотя уже были некоторые намёки на более широкие функции CRISPR у других бактерий», — говорит Сэмпсон.
Чтобы показать, что их результаты не являются особенностью F. novicida, исследователи сотрудничали с лабораторией Йи-Линг Цзэн, PhD. Они создали штамм Neisseria meningitidis (возбудителя менингита у людей) с делецией в гене Cas9. Мутантный штамм показал нарушения в способности прилипать к, проникать в и размножаться в человеческих клетках. Это позволяет предположить, что аналогичные функции Cas9 и CRISPR могут быть обнаружены у других бактерий.
«Большинство бактерий, кодирующих Cas9, либо патогенны, либо обычно встречаются в организме человека. Наши находки побудят других учёных пересмотреть функции Cas9 и CRISPR у других бактерий, чтобы изучить взаимодействия с хозяином», — считает Сэмпсон.
Например, некоторые бактерии Streptococcus и Listeria имеют похожие CRISPR-системы, но их потенциальная роль в заболевании людей ещё не раскрыта. Вайсс и Сэмпсон планируют исследовать, как именно Cas9 отключает ген липопротеина у F. novicida и как активируется сам Cas9.