Загадочная молекула в бактериях оказывается защитником
Гибридные структуры, называемых ретронами, которые являются половиной одноцепочечной ДНК встречаются у многих видов бактерий. С момента своего открытия около 35 лет назад исследователи научились использовать ретроны для получения одноцепочечных ДНК в лаборатории, но никто не знал какова их функция в бактериях, несмотря на многочисленные исследования.
В статье, опубликованной в Cell, ученые Института Вейцмана сообщают о разгадке: ретроны - это "стражи" иммунной системы, обеспечивающие выживание колонии бактерий, когда она заражена вирусами.
В дополнение к открытию новой стратегии, используемой бактериями для защиты от вирусной инфекции, которая удивительно похожа на стратегию, используемую иммунной системой растений, исследование выявило много новых ретронов, которые в будущем могут быть добавлены в набор инструментов для редактирования генома.
Ученые первоначально не ставили перед собой задачу разгадать загадку ретрона; они искали новые элементы бактериальной иммунной системы, в частности, элементы, помогающие бактериям бороться с вирусной инфекцией. Их поиски были облегчены недавним обнаружением того, что гены иммунной системы бактерий склонны группироваться в геноме на так называемых "островах обороны". Когда они обнаружили уникальную сигнатуру ретрона внутри бактериального острова обороны, группа решила провести дальнейшие исследования.
Их первоначальные данные показали, что эти ретроны определенно участвовали в защите бактерий от вирусов, известных как фаги, специализирующихся на заражении бактерий. По мере того, как исследователи присматривались к дополнительным ретронам, расположенным вблизи генов защиты, они обнаружили, что ретроны всегда были связаны - физически и функционально - с одним конкретным геном. Когда либо этот ген, либо ретрон мутировал, бактерии были менее успешны в борьбе с фаговой инфекцией. Затем исследователи приступили к поиску новых подобных комплексов на островах обороны. В конце концов, они идентифицировали около 5000 ретронов, многие из которых оказались неизвестными ранее, на различных островах обороны многочисленных видов бактерий.
Чтобы проверить функционируют ли эти ретроны как иммунные механизмы исследователи пересаживали много ретронов, один за другим, в лабораторные бактериальные клетки, которым не хватало ретронов. Как они и подозревали, в большом количестве этих клеток они нашли ретроны, защищающие бактерии от фаговой инфекции. Как ретроны это делают? Сосредоточившись на одном конкретном виде ретронов и отслеживая его действия перед лицом фаговой инфекции, исследовательская группа обнаружила, что его функция заключается в том, чтобы заставить зараженную клетку совершить самоубийство. Самоубийство клетки, некогда считавшееся принадлежащим исключительно многоклеточным организмам, является последним средством прерывания инфекции - если механизм самоубийства работает достаточно быстро, чтобы убить клетку до того, как вирус закончит делать копии самого себя и распространится на другие клетки.
Дальнейшие исследования показали, что ретроны не чувствуют само вторжение фага, а следят за другой частью иммунной системы, известной как RecBCD, которая является одной из первых линий защиты бактерии. Если ретрон понимает, что фаг изменил RecBCD клетки, он активирует свою программу через связанные гены, чтобы убить зараженную клетку и защитить остальную часть колонии.
"Это умная стратегия, и мы обнаружили, что она работает подобно защитному механизму, используемому в растительных клетках", - говорит один из авторов исследования профессор Ротем Сорек. "Подобно вирусам, заражающим растения, фаги оснащены различными ингибиторами, блокирующими различные части клеточного иммунного ответа. Ретрон, подобно защитному механизму, который, как известно, существует в растениях, не обязательно должен быть способен идентифицировать все возможные ингибиторы, чтобы иметь возможность управлять функционированием одного конкретного иммунного комплекса". Инфицированные растительные клетки применяют этот метод "неудачной инфекции", убивая небольшую область листа или корня, в попытке спасти само растение. Поскольку большинство бактерий живут в колониях, эта же стратегия может способствовать выживанию группы, даже за счет отдельных ее членов".
Ретроны так полезны для биотехнологии, потому что они начинаются с кусочка РНК, которая является шаблоном для синтеза цепочки ДНК. Шаблон в последовательности ретронов можно поменять на любую желаемую последовательность ДНК и использовать, иногда в сочетании с другим инструментом, заимствованным из инструментария бактериального иммунитета - CRISPR - для манипулирования генами различными способами. Сорек и его коллеги считают, что среди разнообразного списка ретронов, которые они идентифицировали, может скрываться больше, чем несколько, которые могли бы предоставить лучшие шаблоны для конкретных потребностей редактирования генов.
Оригинальная статья: https://www.cell.com/cell/full...
