Бактериофаги объединяются, чтобы подавить CRISPR-иммунитет бактерий
CRISPR (кластеризованные регулярно чередующиеся короткие палиндромные повторы) — важная часть бактериального иммунитета, защищающая от чужеродной ДНК. В бактериях CRISPR действует как «ножницы», цель которых — разрезать нити инфицирующей ДНК. Хотя учёным было известно, что CRISPR присутствует примерно у половины всех бактерий в природе, о молекулярной битве между CRISPR и вторгающимися вирусами (бактериофагами) известно мало.
В двух статьях, опубликованных одновременно в журнале Cell 19 июля, независимые исследовательские группы представили доказательства кооперации фагов при атаке на бактерии, содержащие CRISPR. Они обнаружили, что для преодоления разрушения CRISPR фаги адаптировались, объединяя усилия для быстрого заражения бактерии, иногда с одним фагом, жертвующим собой в качестве «первопроходца». Обе команды — из Калифорнийского университета в Сан-Франциско (UCSF) и Университета Эксетера в Англии — сосредоточились на иммунных взаимоотношениях бактерий и фагов с использованием CRISPR и анти-CRISPR белков.
Калифорнийский университет в Сан-Франциско
Исследователи UCSF неожиданно обнаружили, что фаги кооперируются, чтобы выиграть битву со временем и численностью против CRISPR. Чтобы быть эффективной иммунной стратегией, бактерии с CRISPR должны быстро реагировать на атаку фага до того, как фаг убьёт клетку. «Это игра на время и на количество», — говорит Джозеф Бонди-Деноми из UCSF.
Команда изучала Pseudomonas aeruginosa — бактерию, которая, как известно, предварительно экспрессирует несколько сотен молекул CRISPR до заражения. Она может действовать немедленно, когда в клетку попадает один геном фага. У некоторых других бактерий CRISPR активируется только при заражении фагом.
Каждый CRISPR-белковый комплекс содержит разную направляющую РНК из группы примерно из 30 известных направляющих РНК у этого типа бактерий. Чтобы система CRISPR была эффективной, она должна найти цель, соответствующую её направляющей РНК. Победа клетки достигается, когда CRISPR-система с правильной направляющей РНК находит заражающий фаг, связывается с его ДНК и разрезает её. «Задача фага — очень быстро произвести анти-CRISPR белки (Acr), чтобы предотвратить это разрезание», — говорит Бонди-Деноми, который несколько лет назад первым открыл ингибиторные белки анти-CRISPR. В этом исследовании его команда обнаружила, что одному геному фага невозможно произвести эти анти-CRISPR белки достаточно быстро, потому что CRISPR-белки уже ожидали атаки.
«Мы считаем, что первый фаг действует как камикадзе», — говорит Бонди-Деноми. «Он уничтожается, но по пути начинает производить несколько этих анти-CRISPR соединений, которые нейтрализуют некоторые CRISPR и, таким образом, помогают своим сородичам — последующим фаговым инфекциям». Его команда предлагает новую модель, в которой первый фаг способствует успеху следующего, даже если сам погибает. Победитель в битве между CRISPR и фагом определяется переломным моментом в соотношении количества и скорости взаимодействия молекул CRISPR и анти-CRISPR. Кроме того, команда обнаружила, что не все анти-CRISPR молекулы действуют с одинаковой силой, что добавляет ещё один элемент в баланс.
Исследователи UCSF полагают, что эта кооперация фагов — форма альтруизма для обеспечения продолжения репликации внутри хозяина, ранее не описанная в моделях вирусов или фагов, которые обычно считаются инертными нуклеиновыми кислотами в белковой оболочке. Они надеются, что это открытие стимулирует работу в вирусной области, особенно с человеческими вирусами.
Университет Эксетера
Микробиологи Университета Эксетера также обнаружили, что частицы фагов, заражающие бактерии Pseudomonas aeruginosa, могут работать вместе, чтобы преодолеть противовирусную CRISPR-защиту.
Команда под руководством Эдзе Вестры и Стинеке Ван Хаут установила, что некоторые бактерии с CRISPR-системой частично устойчивы к фагам, кодирующим анти-CRISPR. Они показали, что эти фаги кооперируются: первый фаг блокирует CRISPR-иммунную систему хозяина, оставляя после себя бактериального хозяина с подавленным CRISPR-иммунитетом, в котором второй фаг может успешно размножаться.
Поскольку один фаг сам по себе не может полностью подавить CRISPR, для его преодоления и установления инфекции в бактериальной популяции требуется «командная работа» фагов. По мере увеличения числа бактериальных хозяев с подавленным CRISPR-иммунитетом в популяции успешными становятся всё больше фаговых инфекций, позволяя инфекции распространяться. Следовательно, для распространения фаговой инфекции по всей бактериальной популяции изначально в среде должно присутствовать определённое количество фагов. Начальное количество фагов, необходимое для этого, является переломным моментом, который решает, будет ли фаг продолжать реплицироваться или инфекция прекратится.
Исследователи из Эксетера называют это открытие прорывом, который может быть полезен для улучшения фаговой терапии, давно изучаемой и тестируемой для лечения патогенных бактериальных инфекций. «Тот факт, что фаги действуют сообща, чтобы обезоружить иммунные системы бактерий, стал для нас большой неожиданностью и может помочь улучшить стратегии использования фагов для лечения бактериальных инфекций у людей, поскольку доза фага, используемая в терапии, будет определять, сможет ли фаг успешно устранить бактериальную инфекцию», — говорит Ван Хаут.
«В более общем смысле это показывает, что длительный иммуносупрессивный эффект вируса на его хозяина может иметь глубокие последствия для эпидемиологии инфекции», — говорит Вестра.