Бактериальные системы рестрикции-модификации отвечают за защиту клеток от чужеродного генетического материала, например, бактериофагов и плазмид. При этом бактериальные защитные системы жестко регулируются, чтобы избежать аутоиммунных реакций.
Исследовательская группа под руководством Артема Исаева, руководителя лаборатории анализа метагеномов Сколтеха, изучила одну из первых открытых бактериальных иммунных систем, EcoKI, и обнаружила, что присутствие плазмидной ДНК в клетке приводит к активации рестрикции - встроенной программы подавления иммунитета. Этот эффект был назван плазмидоиндуцированным ослаблением рестрикции. Он возникает, когда в клетку попадают плазмиды с особыми свойствами, что запускает конфликт с внутриклеточным иммунитетом. Результаты исследования представлены в журнале Nucleic Acids Research.
Плазмиды - это разновидность мобильных генетических элементов, кольцевые молекулы ДНК, которыми бактерии активно обмениваются друг с другом, что приводит к их быстрому распространению в популяции. "Открытие оказалось для нас совершенно неожиданным. Мы изучали белок, который должен был ингибировать систему EcoKI, но не могли объяснить полученные данные. Тогда мы задались вопросом: может ли сама плазмидная ДНК быть ответственной за подавление бактериального иммунитета? Оказалось, что наличие плазмиды, в которой есть специальные элементы (сайты распознавания EcoKI), притягивает нуклеазу EcoKI к плазмидной ДНК, что позволяет деградировать этот белок".
"Эта программа необходима для защиты клетки от непреднамеренной атаки нуклеаз на бактериальную хромосому, но оказалось, что плазмидная ДНК может также служить "губкой", которая притягивает нуклеазу EcoKI и направляет ее на протеолиз, что полностью отключает бактериальный иммунитет. Это также губительно для самой плазмиды, поскольку клетка становится чувствительной к фаговой инфекции. Таким образом, мы предполагаем, что этот конфликт возникает непреднамеренно и является просто отражением сложности различных биологических механизмов, которые иногда могут мешать друг другу", - рассказал Исаев.
Полученные результаты помогли лучше понять процессы бактериальной рекомбинации, которая позволяет одной молекуле ДНК обмениваться фрагментами со своей копией внутри клетки. Клетка восстанавливает разрывы ДНК в бактериальном геноме с помощью процесса гомологичной рекомбинации. Для этого процесса также необходима специальная последовательность, называемая сайтом Chi. Если удалить этот участок, то двухцепочечный разрыв может привести к полной деградации поврежденной ДНК плазмиды.
"Мы установили, что для запуска рестрикционного выравнивания плазмиде необходим Chi-сайт, то есть способность к активной рекомбинации. Однако в особых условиях, если удалить компоненты клетки, отвечающие за основной путь рекомбинации (белки RecBCD и RecA), мы все равно можем наблюдать ослабление рестрикции. "Это говорит о том, что в бактериальной клетке существуют скрытые или альтернативные пути рекомбинации, которые не проявляются в присутствии RecBCD и RecA. Наша новая модельная система поможет изучить эти механизмы", - объясняют ведущие авторы исследования Михаил Скутель и Дарья Яновская, аспиранты Сколтеха.
