Коэволюционная гонка вооружений между бактериями и их вирусами (фагами) привела к появлению огромного количества иммунных систем и механизмов защиты, которые фаги выработали для их преодоления.
Более 40% бактерий и почти все археи используют для защиты от своих вирусов кластеризованные регулярно интерферирующие короткие палиндромные повторы (CRISPR) и CRISPR-ассоциированные (Cas) белки. Системы CRISPR-Cas чрезвычайно разнообразны и были сгруппированы в два класса, шесть типов и десятки подтипов, основанных на архитектуре эффекторных комплексов, содержании генов cas и особенностях их функционирования.
Исследователи из Университета Иллинойса сообщили о новых открытиях, которые улучшат понимание иммунной системы бактерий и смогут дать более эффективные варианты лечения инфекций, резистентных к антибиотикам. Руководитель исследования Асма Хатум-Аслан, изучает внутреннюю работу бактериальных иммунных систем, уделяя особое внимание разработке эффективных фаговых терапий. В центре исследований ее лаборатории - CRISPR-Cas и другие иммунные системы стафилококков, которые часто вызывают устойчивые к антибиотикам инфекции у людей. Две работы, недавно опубликованные ее лабораторией, описывают открытие первого анти-CRISPR-белка типа III-A и раскрывают механизм, с помощью которого противовирусные иммунные системы могут распространяться и потенциально снижать эффективность фаговой терапии.
Иммунные системы CRISPR-Cas используют специальный комплекс для обнаружения и уничтожения нуклеиновых кислот, имеющих фаговое происхождение. Этот комплекс состоит из малых РНК, связанных с одной или несколькими CRISPR-ассоциированными нуклеазами Cas. Из шести типов CRISPR-Cas-систем наиболее сложными считаются системы III типа. В то время как большинство CRISPR-систем нацелены либо на ДНК, либо на РНК захватчиков, системы III типа нацелены и на ДНК и на РНК. Системы типа III также являются единственной известной разновидностью CRISPR, использующей сигнальный механизм дополнительного мессенджера, который стимулирует нуклеазы Cas и обеспечивает дополнительный уровень защиты, привлекая вспомогательные нуклеазы, обычно предназначенные для других видов клеточной деятельности. В результате системы CRISPR-Cas типа III невероятно эффективны в борьбе с фаговыми инфекциями.
В связи с этим возник вопрос: появились ли у каких-либо фагов способы сопротивляться? Чтобы ответить на него, сотрудники лаборатории Хатум-Аслан изучили большую коллекцию фагов на способность обходить CRISPR-Cas-системы типа III-A и обнаружили новый анти-CRISPR-белок. Результаты исследования, опубликованные в журнале Nucleic Acids Research, свидетельствуют о способности анти-CRISPR белка AcrIIIA1 связывать CRISPR-ассоциированный комплекс и блокировать его функции. «Доступ к большой коллекции фагов был ключевым фактором для этого открытия», - рассказала Хатум-Аслан.
После выявления фагов, обладающих антиCRISPR-активностью, следующей задачей исследователей стало определение того, какие именно гены за это отвечают. После анализа более 200 генов, многие из которых имели неизвестные функции, лаборатории удалось идентифицировать acrIIIA1, первый анти-CRISPR-ген типа III-A. Путем объединения пар родственных фагов, устойчивых к системе CRISPR, ученые сузили область исследования, остановившись на коротком участке длиной около 2 000 нуклеотидов. Клонирование и тестирование нескольких генов в этой области позволило Хатум-Аслан выявить тот, который в конечном итоге отвечает за анти-CRISPR активность. Дополнительные эксперименты показали, что AcrIIIA1 уникален по своему составу: это небольшой белок, который прочно связывается с малыми РНК, включая фрагментированные тРНК, которые являются частью механизма построения белков в клетке.
«Мы не совсем уверены, как эти фрагменты РНК помогают фагу избежать CRISPR, но мы думаем, что они могут косвенно препятствовать вспомогательным нуклеазам деградировать генетический материал фага путем конкурентного ингибирования», - отмечает Хатум-Аслан. «Если добавить поврежденную РНК к этим нуклеазам в качестве отвлекающего маневра, то у них будет чем заняться. А фаг тем временем завершит свою репликацию и избежит опасности».
Хатум-Аслан надеется, что фаги, созданные с помощью антиCRISPR-белков, будут более эффективны в лечении инфекций, резистентных к антибиотикам, когда их будут использовать в терапевтических целях. «Одним из преимуществ является создание коллекции фагов, которой мы можем поделиться с врачами, использующими фаговую терапию для лечения устойчивых инфекций», - рассказала она. «Недавно мы связались с хирургом-ортопедом и отправили ему несколько наших фагов из S. epidermidis для лечения пациентов с инфекциями имплантатов». Долгосрочной целью лаборатории является разработка терапевтических фагов, которые могут преодолевать CRISPR-Cas и другие защитные механизмы, оснащая их белками, такими как AcrIIIA1.
В дополнительной работе лаборатория Хатум-Аслан глубже изучила арсенал противовирусных средств стафилококков. Стремясь лучше понять весь арсенал противовирусных средств защиты стафилококков, Хатум-Аслан и ее сотрудники определили все известные защитные механизмы и их геномное расположение у более чем 1000 штаммов S. aureus и S. epidermidis. Их анализ выявил основной механизм работы противовирусной защиты.
Результаты этого анализа, опубликованные в журнале Nature Communications, свидетельствуют о том, что стафилококки переносят многие из своих защитных механизмов в мобильных сегментах ДНК, известных как SCCmec-кассеты. SCCmec-кассеты - это дискретные области, содержащие кластеры генов, которые могут входить или выходить из генома. Кассеты SCCmec могут вырезаться из генома или вставляться обратно как единый дискретный элемент. Эти кассеты также могут покидать родительскую бактерию и переноситься даже в неродственную бактерию в процессе, называемом горизонтальным переносом генов.
«Кассеты SCCmec известны тем, что распространяют резистентность к метициллину, который является одним из антибиотиков последней надежды в борьбе со стафилококками», - пояснила Хатум-Аслан. Сотрудники ее лаборатории установили, что помимо разрезания и вставки кассет SCCmec, ферменты, закодированные в кассетах SCCmec, могут также разрезать и вставлять соседние сегменты ДНК, которые несут в себе несколько антифаговых иммунных систем. Они также обнаружили, что фаговая инфекция стимулирует высвобождение этих кассет из клеток, что еще больше способствует их распространению. Эти выводы имеют большое значение для фаговой терапии.
«Мы еще многого не знаем о противовирусной защите бактерий», - говорит Хатум-Аслан. «Это совершенно открытое поле, но самое узкое место - выяснить, как работают защитные системы. Что является пусковым механизмом, предупреждающим систему о фаговой инфекции? Как система уничтожает фаг, предотвращая повреждение клетки?» В дальнейшем лаборатория Хатум-Аслан будет работать над выявлением и описанием новых иммунных систем и способов естественной адаптации фагов. «Раскрытие деталей этого эволюционного процесса очень познавательно», - говорит она. «Это поможет нам разработать терапевтические фаги, которые будут эффективны в течение многих лет».
