Учёные открыли новую противовирусную систему защиты у бактерий

Бактерии используют разнообразные защитные стратегии для борьбы с вирусной инфекцией. Некоторые из этих систем привели к революционным технологиям, таким как редактирование генов на основе CRISPR. Учёные предполагают, что в микробном мире существует ещё много неизвестных противовирусных механизмов.

Команда исследователей из Broad Institute of MIT and Harvard и McGovern Institute for Brain Research at MIT открыла и охарактеризовала одну из таких неизученных систем. Они обнаружили, что определённые белки в бактериях и археях (вместе — прокариоты) обнаруживают вирусы удивительно прямым способом: распознают ключевые части вирусов и заставляют одноклеточные организмы совершать суицид, чтобы подавить инфекцию в микробном сообществе. Это первое наблюдение подобного механизма у прокариотов, показывающее, что организмы всех трёх доменов жизни — бактерий, архей и эукариот (включая растения и животных) — используют распознавание консервативных вирусных белков для защиты от патогенов.

Исследование опубликовано в Science.

Микробный арсенал

В предыдущем исследовании учёные проанализировали данные о последовательностях ДНК сотен тысяч бактерий и архей, что выявило несколько тысяч генов с признаками, указывающими на защитную функцию. В новой работе они сосредоточились на нескольких генах, кодирующих ферменты из семейства белков STAND ATPase, которые у эукариот участвуют во врождённом иммунном ответе.

Исследователи задались вопросом, работают ли эти белки аналогичным образом у прокариот. Команда выбрала несколько генов STAND ATPase, доставила их в бактериальные клетки и заразила эти клетки бактериофагами. Клетки продемонстрировали мощный защитный ответ и выжили.

Учёные выяснили, какую часть бактериофага распознаёт система. Они поочерёдно доставляли вирусные гены в бактерии. Иммунный ответ вызывали два вирусных белка:

• Портал — часть капсидной оболочки вируса, содержащая вирусную ДНК.
• Терминаза — молекулярный мотор, который помогает сборке вируса, проталкивая вирусную ДНК в капсид.

Каждый из этих вирусных белков активировал свой STAND ATPase для защиты клетки. Это открытие беспрецедентно: большинство известных бактериальных систем защиты работают, обнаруживая вирусную ДНК, РНК или клеточный стресс из-за инфекции. Эти же бактериальные белки напрямую чувствовали ключевые части вируса.

Было показано, что бактериальные белки STAND ATPase могут распознавать разнообразные белки портала и терминазы от разных фагов. Кроме того, эти белки функционируют как ДНК-эндонуклеазы, которые могут разрезать собственную ДНК бактерии и убивать клетку, чтобы ограничить дальнейшее распространение вируса.

Структурный анализ

Чтобы детально изучить, как микробные STAND ATPase обнаруживают вирусные белки, исследователи использовали криоэлектронную микроскопию для анализа их молекулярной структуры в связанном состоянии.

Команда увидела, что белок портала или терминазы вируса помещается в карман белка STAND ATPase. Затем белки STAND ATPase группируются в наборы по четыре (тетрамеры), что сближает ключевые части бактериальных белков, называемые эффекторными доменами. Это активирует эндонуклеазную функцию белков, которая разрушает клеточную ДНК и убивает клетку.

Тетрамеры так же прочно связывали вирусные белки от других бактериофагов, что демонстрирует: STAND ATPase чувствуют трёхмерную форму вирусных белков, а не их аминокислотную последовательность. Это объясняет, как один STAND ATPase может распознавать десятки различных вирусных белков.

Белки STAND ATPase у человека и растений также работают, формируя мультисубъединичные комплексы, которые активируют специфические функции в клетке. Это указывает на глубокое эволюционное единство механизма распознавания патогенов.