Как бактерии распознают вирусную инвазию и активируют иммунную защитуКак бактерии распознают вирусную инвазию и активируют иммунную защиту
Бактерии выработали целый ряд стратегий противодействия бактериофагам, но как им удается первыми обнаружить захватчика в своей среде, долгое время оставалось загадкой.
И вот недавно исследователи из Лаборатории бактериологии Рокфеллеровского университета обнаружили, что бактерии выявляют фаги с помощью защитной реакции, называемой CBASS (cyclic oligonucleotide-based antiphage signaling system - антифаговые сигнальные системы на основе циклических олигонуклеотидов), которая обнаруживает вирусную РНК. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
"Как CBASS активируется при фаговой инфекции было неизвестно в течение многих лет", - рассказывает руководитель исследования Лучано Марраффини. "До сих пор никто не мог понять, что заставляет бактерии инициировать иммунный ответ CBASS". Некоторые основные иммунные функции являются общими для всех отдаленных друг от друга областей жизни - от эукариот до прокариот и эти иммунные реакции должны были сформироваться на ранних этапах существования жизни. Одной из сохранившихся особенностей является механизм вирусной чувствительности, основанный на специализированном ферменте, называемом циклазой. У животных она называется cGAS (циклическая GMP-AMP-синтаза). У бактерий cGAS-подобные циклазы являются центральными компонентами иммунного ответа CBASS . Обе циклазы были открыты только в последнее десятилетие.
"Считается, что CBASS-циклазы являются древними предками cGAS, - говорит Марраффини, но есть и некоторые различия. У инфицированного животного cGAS обнаруживает вирусную ДНК в цитоплазме, но у неинфицированного организма ДНК находится внутри ядра и ее присутствие в других местах сигнализирует о том, что что-то не так. Однако, поскольку у бактерий нет ядра, они должны использовать другой подход. По словам Марраффини, если бы CBASS реагировала на одно лишь присутствие ДНК, это привело бы к разгулу аутоиммунитета - бактерии атаковали бы сами себя. "В этом и заключалась загадка", - говорит он. "Циклазы CBASS очень похожи на cGAS, значит, они должны что-то чувствовать. Но что именно?"
Чтобы выяснить это, исследователи сосредоточили свое внимание на системе CBASS в Staphylococcus schleiferi - бактерии, часто встречающейся в пасти собак, кошек и других животных, которая в редких случаях переходит на человека. Марраффини является пионером в изучении бактериальных защитных систем, в первую очередь CRISPR-Cas; поскольку его лаборатория на протяжении многих лет использовала в своей работе самые разные штаммы стафилококков, у команды имеется большое количество стафилококковых фагов. Авторы проверили их на способность ингибироваться CBASS и обнаружили набор фагов, которые были замечены защитной системой. "Это позволило нам предположить, что эти чувствительные фаги во время инфекции вырабатывают что-то такое, что вызывает активацию CBASS", - говорит Марраффини.
Далее исследователи тщательно проверили различные молекулы, продуцируемые бактерией или вирусом, включая ДНК, РНК и белки. В результате эксперимента выяснилось, что только РНК, образующаяся при заражении фагом, способна вызывать иммунный ответ. "Это была совершенно очевидная вирусная РНК, которая генерировалась во время инфекции", - говорит Марраффини. "Таким образом, вместо того чтобы воспринимать неправильную локализацию ДНК, как это делает cGAS, CBASS воспринимает специфическую структуру РНК. Эта специфичность просто поразительна".
Для обозначения активируемой CBASS РНК бактериофага они назвали новую идентифицированную молекулу, имеющую форму шпильки, cabRNA (кэбРНК). Молекула связывается с поверхностью циклазы, вызывая выработку молекулы cGAMP, которая активирует иммунный ответ CBASS. "Это был очень простой и элегантный эксперимент, который позволил нам сделать ключевой вывод", - отмечает Марраффини. Здесь также есть параллели с тем, как аналогичная система работает у человека. После обнаружения вирусной ДНК cGAS также запускает выработку cGAMP, который побуждает иммунную систему вырабатывать интерфероны I типа. Этот противовирусный сигнальный путь известен как cGAS-STING.
В дальнейших исследованиях Марраффини продолжит анализ cabRNA на предмет ее характеристик. "Два больших вопроса: как и почему фаг генерирует cabRNA и какова ее роль?" - спрашивает он. "Неясным остается и то, каким образом cabRNA взаимодействует с ферментом CBASS. Поэтому определение структуры фермента, связанного с cabRNA, было бы огромным достижением".
Фаги, которые не вызывают CBASS-ответа, могут оказаться полезными в борьбе с бактериями, резистентными к антимикробным препаратам. "Сейчас у нас нет знаний, чтобы предсказать, какие фаги имеют cabRNA, а какие - нет, - говорит Марраффини, - но если бы мы смогли это сделать, то потенциально могли бы использовать эти фаги для атаки на бактерий, поскольку они придумали, как ускользнуть от этого чувствительного механизма".
