Бактерии идут на самоубийство, чтобы остановить вирусы

Ученые из Институтов Глэдстоун и Калифорнийского университета в Сан-Франциско (UCSF) обнаружили новый аспект многовековой войны бактерий с вирусами-бактериофагами. Исследование, опубликованное в Molecular Cell, показывает, что некоторые бактерии, обнаружив попытку вируса нейтрализовать их защиту, запускают самоуничтожение клетки.

Слияние первой и второй линии обороны

Речь идет о самой распространенной антивирусной системе бактерий — системе «рестрикции-модификации». Она распознает ДНК вторгшегося фага и разрезает ее. Однако некоторые фаги выработали контрзащиту, блокирующую эту систему.

Ученые обнаружили, что если бактериальная клетка чувствует такую контрзащиту фага, она запускает собственную гибель, используя компоненты той самой системы, которую вирус пытается заблокировать.

«Мы думаем, что это, по сути, первая и вторая линии защиты, слитые в одну», — говорит ведущий автор исследования Сукрит Силас. — «Клетка решает, что заражение зашло слишком далеко, и альтруистически инициирует самоуничтожение или переход в состояние покоя, чтобы фаг не мог размножиться. Это защищает соседние бактериальные клетки».

Сила в неисследованных генах

Открытие было сделано при изучении малоизученных областей геномов фагов — так называемых аксессуарных регионов. Гены в этих регионах не всегда необходимы для выживания фага, но могут помогать обходить иммунную систему бактерий.

Поскольку эти гены считаются несущественными, их часто игнорируют. Чтобы заполнить этот пробел, исследователи разработали новую платформу с эффективным алгоритмом, способным изучать тысячи аксессуарных генов одновременно.

С ее помощью они идентифицировали более 10 000 новых аксессуарных генов в геномах фагов, заражающих бактерии семейства Enterobacteriaceae (включая E. coli). Более детально изучили 200 из них, включая и выключая их в разных штаммах E. coli.

Эволюционная ловушка для фагов

Некоторые аксессуарные гены действительно нейтрализовали бактериальную систему рестрикции-модификации, позволяя фагам заражать клетки. Однако другие гены, наоборот, запускали самоуничтожение бактериальных клеток в некоторых штаммах E. coli. Оказалось, что разные гены фагов могут запускать один и тот же путь гибели клетки.

Удивительно, что за эту реакцию самоубийства отвечали системы, производные от самой системы рестрикции-модификации бактерий.

«Защитная система бактерии может обнаружить, что фаг пытается ее заблокировать, и в ответ клетка разрушает себя изнутри», — объясняет Силас.

Это создает для фагов эволюционную ловушку: наличие таких аксессуарных генов рискует вызвать гибель клеток, которые они пытаются заразить, но потеря этих же генов делает фаги уязвимыми к разрушению их собственной ДНК.

Новые возможности для терапии

Разработанная исследовательская платформа может ускорить изучение тысяч других аксессуарных генов у фагов, заражающих различные виды микробов.

Понимание конкретных тактик и уязвимостей в гонке вооружений «бактерии-фаги» может помочь в разработке новых противомикробных методов лечения для борьбы с устойчивыми к лекарствам бактериями.