Исследователи обнаружили, как бактериям удается уничтожить ДНК врага, сохраняя при этом свой генетический материал в безопасности.

Когда инородные тела атакуют, молекулярная милиция, которая составляет нашу иммунную систему, вступает в войну. В боевом хаосе эта кавалерия должна быть осторожна, чтобы не стрелять по своим солдатам; и организмы, от людей до бактерий, разработали специальные механизмы, чтобы избежать этого типа путаницы.

Новое исследование ученых Рокфеллера описывает одну стратегию, с помощью которой бактерии проводят различие между своими войсками и злонамеренными захватчиками, такими как вирусы. Исследование, опубликованное в Molecular Cell , показывает, что белок Cas10 обычно безвреден, но превращается в ферментативного ассасина при столкновении с чужеродным генетическим материалом.

Уникальная линия обороны

Одним из способов защиты бактерий является использование CRISPR или кластеризованных регулярно пересекающихся коротких палиндромных повторов и связанных с ними белков Cas. Эти системы не только защищают от болезнетворных микроорганизмов, но и запоминают их: когда бактерия подвергается нападению, она копирует и сохраняет часть ДНК захватчика. Эта генетическая последовательность, называемая спейсером, помогает бактерии идентифицировать захватчика при следующем ударе. Как только нарушитель обнаружен, ферменты Cas растворяют свою ДНК.

Развивающаяся область исследований CRISPR является ценной для понимания того, как бактерии приобретают иммунитет против вирусов и как этот иммунитет влияет на развитие микробов. Ученые выявили несколько типов систем CRISPR, в том числе тип II, который в последнее время привлек значительное внимание благодаря его использованию в технологии редактирования генов. Профессор Шисинь Лю, однако, интересовался менее изученной системой, известной как Тип III, которая, по его словам, «является самой захватывающей системой CRISPR, которая существует».

Энтузиазм Лю по типу III возник после бесед с профессором Лучано Марраффини, чья лаборатория посвящена пониманию систем CRISPR-Cas. В 2017 году Марраффини и его коллеги показали, что системы типа III обладают уникальной способностью нацеливаться не только на одну последовательность захватчиков, но и на вариации генетической темы. Это означает, что даже если вирус мутирует, CRISPR-Cas может идентифицировать и уничтожить свою ДНК.

«Для других систем у вас есть единственная мутация в последовательности-мишени, и иммунитет обычно теряется», — говорит Лю. «Но системы типа III, в которых используется фермент Cas10, могут быть эффективными, даже если у мишени множественные мутации».

По сравнению с ферментами других типов CRISPR, Cas10 стреляет по относительно широкому кругу целей; все же, ему удается избежать вреда собственной ДНК бактерии. Как Лю задавался вопросом, различают ли комплексы типа III себя и других?

Избегать дружественного огня

Работая с Марраффини и постдокторантом Лин Ваном, Лю решил лучше понять, как Cas10 взаимодействует с различными видами РНК. Они проанализировали динамику фермента с помощью одно-молекулярной флуоресцентной микроскопии, методики, которая позволяет исследователям отслеживать молекулярные изменения с течением времени.

Исследователи обнаружили, что когда Cas10 подвергается воздействию РНК-захватчика, структура фермента приобретает новые формы. И, по словам Лю, когда Cas10 проходит через различные конформации, он периодически входит в активные состояния, которые наполняют фермент способностями растворять ДНК.

В отличие от этого, когда Cas10 столкнулся с «собственной» РНК, фермент оказался заблокированным в неактивном положении, что запрещало любое нарезание и разрезание ДНК. Эти результаты, говорит Лю, объясняют, как системы типа III избегают саморазрушительного поведения.

«Мы не хотим, чтобы Cas10 ходил случайным образом, расщепляя ДНК. Его деятельность должна регулироваться », — говорит он. «И кажется, что фермент работает только тогда, когда он разблокирован из его неактивной конфигурации».

Исследователи также обнаружили, что когда Cas10 подвергается воздействию мутантной РНК противника, фермент может изгибаться только в ограниченном количестве активных форм. И по мере того как пластичность Cas10 уменьшалась, также уменьшалась сила иммунного ответа бактерии.

Эти данные свидетельствуют о том, что надежный иммунный ответ зависит от способности Cas10 перемещаться: когда фермент может свободно перемещаться, он проводит больше времени в активном состоянии и, таким образом, больше разлагает опасную ДНК. Тем не менее, отмечает Лю, даже когда фермент теряет часть своей гибкости, он не теряет полностью свою способность наносить вред захватчикам.

«Эти результаты показывают, что иммунитет не является бинарной вещью», — говорит он. «Скорее, сила иммунитета постепенно меняется по мере мутации чужеродной РНК».

Это исследование помогает объяснить уникальные стратегии нацеливания систем типа III и способствует постоянным попыткам понять, как иммунитет CRISPR-Cas влияет на эволюцию бактерий.

По материалам phys.org