Фаги, вирусы, атакующие бактерии, имеют головку и хвост.
Головка содержит генетический материал, а хвост используется для определения потенциального хозяина, то есть бактериальной клетки, в которую фаг может ввести этот материал. После инъекции фаг перехватывает клеточный механизм бактерии и заставляет ее производить новые копии самого себя, которые в конечном итоге разрывают клетку и инфицируют другие бактерии в колонии.
В новом исследовании, опубликованном на днях в журнале Nature, ученые Института наук Вейцмана открыли бактериальную иммунную систему, которая препятствует осуществлению планов фагов, присоединяя к их хвостам небольшие белковые молекулы. Компоненты этой новой иммунной системы похожи по структуре на механизм иммунитета человека, и они могут помочь раскрыть, как работает этот механизм и как эволюционировала наша собственная иммунная система.
Первые антифаговые защитные механизмы у бактерий были обнаружены в 1960-х годах, но до недавнего времени было известно лишь несколько таких механизмов. Самый известный из них - CRISPR-Cas9, открытие которого привело к революции в редактировании генов. Однако в последние годы в этой области наблюдается целый вал новых открытий, в результате чего было обнаружено более 150 новых бактериальных иммунных систем с различными способами действия. Многие из этих систем были выявлены с помощью метода, разработанного профессором Ротемом Сореком из отделения молекулярной генетики Института Вейцмана.
Метод Сорека основан на поразительно простом принципе: гены, участвующие в иммунных механизмах бактерий, имеют тенденцию группироваться в бактериальном геноме, в областях, известных как «острова защиты». Таким образом, исследователи могут открывать новые иммунные системы, изучая гены с неизвестной функцией, которые расположены рядом с известными защитными островами. «Во многих наших исследованиях мы обнаруживали компоненты бактериальных иммунных систем, которые были знакомы нам по хорошо изученным иммунным механизмам человека», - объясняет Сорек. «Это позволяет предположить, что эволюционный источник значительной части нашей врожденной иммунной системы происходит от бактерий. Наше новое исследование еще больше подтверждает эту идею».
В 1970-х годах ученые открыли систему клеточного контроля, способную изменять структуру и роль белков, а также продолжительность их жизни, путем присоединения к ним небольшого белка убиквитина. С момента открытия убиквитина, за которое профессора Аарон Цихановер, Аврам Хершко и Ирвин Роуз были удостоены Нобелевской премии по химии 2004 года, другие ученые открыли множество подобных систем, в которых ферменты присоединяют различные небольшие белки к целевому белку, тем самым изменяя его судьбу.
В новом исследовании ученые под руководством Йенса Хора из лаборатории Сорека обнаружили новую бактериальную иммунную систему, содержащую убиквитин-подобный белок, по структуре похожий на ISG15, один из самых загадочных белков иммунной системы человека. ISG15 играет определенную роль в защите от различных вирусов, таких как грипп и ВИЧ, но как он выполняет свою задачу, не совсем понятно.
Хор и его коллеги обнаружили, что, в отличие от других бактериальных иммунных систем, обнаруженная ими система не мешает вирусам захватывать клетку и создавать дубликаты самих себя: зараженные бактерии, в которых была закодирована эта иммунная система, погибали и производили новых вирусных потомков. Но эти вирусы были «стерильны», то есть не могли заразить другие бактерии, что привело исследователей к выводу, что новая иммунная система каким-то образом способна остановить распространение вируса на другие клетки колонии.
Чтобы понять, как дублированные вирусы теряют способность заражать другие клетки и какую роль в этом играет новая бактериальная иммунная система исследователи пометили убиквитин-подобный белок, лежащий в основе новой иммунной системы, частицами золота, которые хорошо видны под микроскопом. Когда они изучили изображения дублированных фагов, то были поражены: помеченный белок располагался на конце вирусного хвоста, не позволяя фагам использовать свои хвосты для поиска и заражения новых бактериальных клеток. Исследователи считают, что новая иммунная система способна распознавать и блокировать трехмерную структуру вирусного хвоста, что позволяет ей эффективно противостоять самым разным фагам, если только они имеют хвосты с похожей структурой.
Более 95% фагов, известных науке в настоящее время, имеют хвост, который они используют как для идентификации бактериальных клеток, так и для введения в них вирусного генетического материала. «Мы надеемся, что наше открытие вдохновит исследователей иммунной системы человека, на изучение того, применим ли аналогичный принцип к иммунному белку человека ISG15. Вирусы, атакующие человека, могут не иметь хвостов, но вполне возможно, что защитные механизмы человека также работают за счет разрушения ключевого структурного белка вируса», - поясняет Сорек. «Иммунная система, которую мы изучили в этом исследовании, - лишь одна из многих систем, содержащих убиквитин-подобные белки, которые мы обнаружили в бактериальном геноме. Полученные нами результаты свидетельствуют о том, что конъюгация убиквитин-подобных белков является противовирусной стратегией, сохранившейся на всем древе жизни».
