Мобильные генетические элементы могут невольно подавлять бактериальный иммунитет

Бактериальные системы рестрикции-модификации защищают клетки от чужеродного генетического материала, например, бактериофагов и плазмид. Иммунная система требует строгой регуляции, так как у бактерий, как и у людей, возможны аутоиммунные реакции — атака на собственную ДНК.

Исследовательская группа под руководством Артёма Исаева, заведующего лабораторией анализа метагеномов Сколтеха, изучила одну из первых открытых бактериальных иммунных систем, EcoKI, и обнаружила, что присутствие плазмидной ДНК в клетке приводит к активации встроенной программы подавления иммунитета — ослабления рестрикции. Этот эффект назвали плазмид-индуцированным ослаблением рестрикции. Он возникает, когда в клетку попадают плазмиды со специальными свойствами, что запускает конфликт с внутриклеточным иммунитетом. Результаты представлены в журнале Nucleic Acids Research.

Плазмиды — это форма мобильных генетических элементов, кольцевые молекулы ДНК, которыми бактерии активно обмениваются, что приводит к их быстрому распространению в популяции.

«Открытие оказалось для нас совершенно неожиданным. Мы изучали белок, который должен был ингибировать систему EcoKI, но не могли объяснить данные. Затем мы догадались: может ли сама плазмидная ДНК быть ответственна за подавление бактериального иммунитета? Оказалось, что присутствие плазмиды, имеющей особые элементы (сайты узнавания EcoKI), привлекает нуклеазу EcoKI к плазмидной ДНК, что обеспечивает деградацию этого белка.

Эта программа нужна, чтобы защитить клетку от непреднамеренной атаки нуклеазы на бактериальную хромосому, но оказалось, что плазмидная ДНК также может служить «губкой», которая привлекает нуклеазу EcoKI и направляет её на протеолиз, что полностью выключает бактериальный иммунитет. Это также вредно для самой плазмиды, поскольку клетка становится чувствительной к фаговой инфекции. Таким образом, мы предполагаем, что этот конфликт происходит непреднамеренно и является просто отражением сложности различных биологических механизмов, которые иногда могут мешать друг другу», — сказал руководитель проекта Артём Исаев.

Результаты помогли лучше понять процессы бактериальной рекомбинации, которые позволяют одной молекуле ДНК обмениваться фрагментами со своей копией внутри клетки. Клетка репарирует разрывы ДНК в бактериальном геноме с помощью гомологичной рекомбинации. Этот процесс также требует специальной последовательности, называемой Chi-сайтом. Если этот сайт удалить, двуцепочечный разрыв может привести к полной деградации повреждённой плазмиды ДНК.

«Мы установили, что для запуска ослабления рестрикции плазмиде нужен Chi-сайт, то есть способность к активной рекомбинации. Однако в особых условиях, если удалить компоненты клетки, ответственные за основной путь рекомбинации (белки RecBCD и RecA), мы всё равно можем наблюдать ослабление рестрикции.

Это говорит о том, что в бактериальной клетке существуют скрытые или альтернативные пути рекомбинации, которые не проявляют себя в присутствии RecBCD и RecA. Наша новая модельная система поможет исследовать эти механизмы», — пояснили ведущие авторы исследования, аспиранты программы «Науки о жизни» Сколтеха Михаил Скутель и Дарья Яновская.