Учёные выяснили, что включает токсины ретронов для защиты от вирусов
С момента открытия в 1980-х годах ретроны — последовательности ДНК в бактериях — ставили учёных в тупик. Теперь исследователи из EMBL обнаружили, что некоторые ретроны кодируют токсичные белки, которые удерживаются в неактивном состоянии с помощью небольшого фрагмента ДНК. При атаке бактериофага (вируса бактерий) эта ДНК чувствует угрозу и высвобождает токсин.
«В бактериальных хромосомах есть сотни неизученных систем "токсин/антитоксин", которые могут использоваться для подавления фагов. Наша работа предлагает подход к пониманию того, как они это делают», — сказал Нассос Типас, руководитель группы в EMBL. Результаты опубликованы в Nature.
Ретроны содержат фермент обратную транскриптазу, которая использует небольшую РНК как матрицу для производства мультикопийной одноцепочечной ДНК (msDNA). Хотя учёные знали, как производится msDNA, её функция оставалась загадкой до июня 2020 года, когда группы Типаса и Сорека независимо опубликовали свои исследования в открытом репозитории.
«Более 30 лет мы не знали, зачем бактериям ретроны, потому что у клеток без них не было выявлено никаких фенотипов», — отметил ведущий автор работы Джейкоб Бобонис.
Прорыв произошёл, когда обнаружили, что патогенная бактерия Salmonella не может расти при низких температурах без msDNA. В коллаборации с лабораторией Техасского университета A&M выяснили, что такие клетки также чувствительны к недостатку кислорода, что мешает им колонизировать кишечник коровы.
Эти наблюдения навели на мысль, что ретроны похожи на системы «токсин/антитоксин». Во многих бактериях сотни таких систем: ген токсина, останавливающего рост бактерии, соседствует с геном антидота (антитоксина). Пока они сосуществуют, бактерия растёт. Если антидот удалить — яд активируется.
«В нашем случае обратная транскриптаза ретрона производит msDNA, и если её удалить, "токсин" активируется, — объяснил Бобонис. — Мы поняли, что msDNA вместе с ферментом образуют новый класс антитоксинов. Но оставался вопрос: что является естественным "переключателем" этой системы?»
Команда EMBL решила проверить, могут ли отдельные гены быть такими переключателями. Они сверхэкспрессировали тысячи бактериальных генов по одному с помощью роботизированных установок, чтобы измерить, могут ли они активировать токсин.
С помощью генетики, протеомики, биоинформатики и в сотрудничестве с другими группами EMBL учёные выяснили механизм: вирусные белки могут как активировать, так и блокировать эти системы. Они также обнаружили, что ретроны могут останавливать вирусное вторжение на уровне одной клетки.
«Представьте 10 бактерий, вирус заражает одну, реплицируется, разрывает клетку и заражает остальные. Если в заражённой клетке ретрон активирован вирусом, эта клетка погибает, но и вирус тоже, так как ему нужен бактериальный аппарат для репликации. Ретрон защищает остальную популяцию», — пояснил Бобонис.
Это фундаментальное исследование расширяет знания для развития фаговой терапии — использования бактериофагов для лечения инфекций, что особенно актуально в условиях растущей антибиотикорезистентности.
Важным результатом стала разработка генетического подхода Toxin Activation/Inhibition Conjugation (TAC/TIC). Теперь другие учёные могут с его помощью искать триггеры для тысяч других неизученных систем «токсин/антитоксин».
«Поскольку это внутренние системы самоуничтожения бактерий, знание их триггеров даёт нам возможность создавать искусственные активаторы токсина, чтобы убивать клетку извне, — сказал Типас. — Такие новые стратегии срочно необходимы, так как эффективных антибиотиков для лечения устойчивых патогенов становится мало».