CRISPR-устойчивые вирусы строят «безопасные комнаты» для защиты геномов от ферментов, разрезающих ДНК
Бактерии и вирусы, которые их заражают, ведут молекулярную гонку вооружений. Бактерии используют иммунные ферменты, включая системы CRISPR-Cas, для уничтожения вирусной ДНК. Однако бактериофаги (вирусы бактерий) разработали собственные стратегии защиты.
Ученые из UCSF и UCSD обнаружили новую стратегию: некоторые фаги после заражения бактерии строят внутри клетки-хозяина непроницаемую «безопасную комнату», которая защищает уязвимую ДНК фага от антивирусных ферментов. Этот компартмент, напоминающий клеточное ядро, является наиболее эффективным щитом от CRISPR, когда-либо обнаруженным у вирусов.
«В наших экспериментах эти фаги не поддавались ни одной из систем CRISPR, с которыми их сталкивали. Это первый случай, когда у фагов обнаружена такая степень устойчивости ко всем CRISPR», — сказал Джозеф Бонди-Деноми, руководитель исследования, опубликованного 9 декабря 2019 года в журнале Nature.
Поиск ДНК, которую CRISPR не может разрезать
Исследователи отобрали вирусы из пяти разных семейств фагов и заразили ими обычную бактерию, сконструированную для использования четырех разных ферментов Cas (режущий компонент систем CRISPR).
Бактерии, укрепленные CRISPR, победили большинство фагов. Однако два джумбо-фага (с геномами в 5–10 раз больше, чем у наиболее изученных фагов) оказались невосприимчивы ко всем четырем системам CRISPR.
Дальнейшие испытания показали, что эти фаги устойчивы также к другому типу CRISPR и к системам рестрикции-модификации (более распространенным, чем CRISPR). Их ДНК в пробирке была уязвима для ферментов, но не внутри клетки. Это указывало на активный механизм защиты, отличный от известных белков анти-CRISPR.
Обнаружен непроницаемый щит от CRISPR
Эксперименты под микроскопом показали, что при заражении эти джумбо-фаги строят сферический компартмент в центре клетки-хозяина. Он удерживает антивирусные ферменты на расстоянии и служит «безопасной комнатой» для репликации вирусного генома.
Этот компартмент идентичен обнаруженной в 2017 году структуре. Ранее было известно, что в этой оболочке, похожей на ядро, происходит репликация генома фага, но только теперь выяснилось, что она также служит щитом против CRISPR и других ферментов, разрезающих ДНК.
Остается много вопросов о белке, из которого построена оболочка. Это гипотетический белок, уникальный для фагов, но не универсальный. Его атомная структура неизвестна.
Также загадкой остается защита генома фага на раннем этапе, пока оболочка строится (процесс занимает около 30 минут). Ученые предполагают существование временной «брони», защищающей введенную ДНК до завершения сборки «безопасной комнаты».
«Непроницаемый» щит можно обойти
Ведущий автор исследования Сенен Мендоса нашел способ обойти защиту, прикрепив фермент рестрикции к одному из белков вирусной оболочки. Эта стратегия «троянского коня» позволила ферменту проникнуть внутрь оболочки во время ее сборки и разрушить геном фага, что позволило бактерии выжить.
Этот эксперимент показывает, что «непроницаемую» безопасную комнату можно взломать. Ученые полагают, что в природе бактерии уже могли найти способы бороться с фагами, строящими такие оболочки, например, с помощью слияния иммунного фермента с фаговым белком или кражи фагового гена.