Новооткрытая форма иммунитета объясняет, как бактерии борются с вирусами
Некоторые бактерии используют, казалось бы, рискованную стратегию защиты от вирусов: они ждут, пока вторгшийся вирус уже начнет реплицироваться. Исследование в Университете Рокфеллера показывает, как микробы используют два недавно идентифицированных фермента для борьбы с инфекцией, даже после задержки.
«Вирусная инфекция может убить бактериальную клетку — или, в некоторых случаях, вирусный генетический материал может принести пользу, например, защиту от других вирусов. Вредоносные вирусы немедленно начинают репликацию, а полезные внедряются в бактериальный геном», — говорит Лусиано Марраффини. «Используя выжидательный подход и терпя начальную фазу инфекции, бактерии могут сделать осознанный выбор».
Исследование, опубликованное на этой неделе в Cell, помогает объяснить, как бактериям удается очиститься от вредоносной инфекции, несмотря на медленный ответ. В будущем это может помочь в разработке новых способов борьбы с инфекционными заболеваниями.
Защита в последнюю минуту
Исследование сосредоточено на двух ферментах, Csm3 и Csm6, которые являются частью бактериальной иммунной системы, известной как CRISPR-Cas. Когда эти ферменты активируются на поздней стадии инфекции, они разрезают вирусную РНК.
Система CRISPR (короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами) — это тип адаптивного бактериального иммунного ответа, который полагается на участки ДНК, содержащие последовательности, совпадающие с вирусным генетическим кодом. CRISPR-ассоциированные гены используют эти последовательности как направляющие для уничтожения захватчиков.
Обычно системы CRISPR-защиты атакуют и уничтожают вирусную ДНК в течение минут после её попадания в бактериальную клетку, поэтому вторгшийся вирус не успевает реплицироваться. Однако конкретный тип CRISPR, исследуемый в работе — система CRISPR-Cas типа III — ждет репликации вируса и начинает атаку на более поздней стадии инфекции, после того как вирусная ДНК скопирована и транскрибируется в РНК.
«Похоже, что CRISPR-Cas типа III действительно нуждается в том, чтобы вирус произвел РНК, прежде чем он сможет нацелиться и уничтожить вирусную ДНК, — говорит первый автор Вэньян Цзян. — В результате системе приходится иметь дело с сотнями цепочек вирусной ДНК вместо одной, и на очистку от инфекции может уйти до девяти часов вместо минут».
Дополнительная защита
В ожидании до этого момента есть внутренняя опасность, и из-за большого количества присутствующих вирусных геномов типичные ДНК-разрезающие ферменты, используемые системами CRISPR-Cas, не могут остановить инфекцию в одиночку. Поэтому, как выяснили исследователи, CRISPR-Cas типа III также использует ферменты Csm3 и Csm6 для нацеливания на вирусную РНК.
Чтобы наблюдать эту РНК-ориентированную защиту в действии, Марраффини, Цзян и Пулами Самай создали мутировавшую форму бактерии Staphylococcus epidermidis, лишенную ферментов Csm3 и Csm6. Когда они заразили как мутантные, так и нормальные бактерии вирусом, популяция мутантов погибла.
Исследование проясняет, как функционирует эта стратегия CRISPR-Cas, и также имеет потенциальные последствия для биотехнологии и медицины. Поскольку CRISPR может делать точно направленные разрезы в геномах, его способности к расщеплению ДНК оказались полезными для разработки методов генной инженерии. Понимание того, как работают РНК-разрезающие ферменты CRISPR, может быть полезным для манипулирования РНК-содержимым человеческих клеток, говорит Марраффини.
«Исследование также расширяет наши знания о том, как бактерии взаимодействуют со своими вирусами, что необходимо для понимания бактериального патогенеза, — говорит Марраффини. — Вирусный генетический материал может увеличивать вирулентность патогенов, и в то же время вирусы можно использовать для уничтожения патогенных бактерий в клинике. Понимание молекулярных механизмов, задействованных во взаимодействиях бактерий и вирусов, может помочь нам бороться с инфекционными заболеваниями».