Бактерии выработали многочисленные и разнообразные линии активного иммунитета, а также механизмы предотвращения инфекции, чтобы противостоять хищничеству фагов.
Недавний систематический скрининг выявил многочисленные системы антифаговой защиты, которые сильно различаются по составу белков и способам действия. Механизмы, используемые бактериальными защитными системами, включают распознавание фагового генома или белка с последующей деградацией, введение модифицированных нуклеотидов, отменяющих репликацию фага, а также многочисленные механизмы распознавания, приводящие к прерыванию инфекции, что приводит к покою или гибели клетки хозяина. Однако для многих, возможно, большинства бактериальных защитных систем, механизм действия остается неизвестным.
Геном бактерий несет в среднем около пяти различных (идентифицируемых в настоящее время) защитных систем. Удивительная вариабельность иммунного репертуара наблюдается даже в пределах одного вида. Гены, кодирующие компоненты этих систем, обычно группируются в определенных геномных регионах, известных как защитные острова, иногда связанные с мобильными генетическими элементами (МГЭ), интегрированными в отдельные горячие точки бактериального генома. Считается, что защитные системы часто подвергаются горизонтальному переносу между бактериями, и близкое расположение соответствующих генов может способствовать одновременной передаче нескольких систем.
Несмотря на недавний всплеск открытий бактериальных защитных систем, причины их кластеризации в защитных островах остаются малоизученными. Утверждается, что совместная локализация защитных систем в МГЭ и возникающий в результате этого совместный горизонтальный перенос генов могут обеспечить реципиентным бактериям преимущества, особенно в среде, богатой фагами. Кроме того, предполагается, что синергетическое взаимодействие между защитными системами может способствовать их совместной локализации и совместному переносу, что подтверждается сохранением определенных наборов защитных систем.
Например, системы CRISPR-Cas разных подтипов часто встречаются совместно, а массивы CRISPR взаимодействуют с белками Cas в разных системах. Кроме того, пары РНК токсин-антитоксин (TA) и, возможно, другие модули TA защищают иммунитет CRISPR, делая клетки зависимыми от CRISPR-Cas для выживания. CRISPR-Cas и системы рестрикции-модификации (RM), а также BREX и фермент рестрикции BrxU, взаимодействуют друг с другом, что приводит к расширенной защите от фагов. Однако, несмотря на эти примеры взаимодействия бактериальных защитных систем, их совместное присутствие в бактериях и связи между совместным присутствием и ко-локализацией в бактериальных геномах не были проанализированы в широком масштабе, а факторы, лежащие в основе этого явления, такие как синергетические взаимодействия, остаются в значительной степени неизученными. Несмотря на все адаптивные объяснения, остается возможность того, что защитные острова эволюционируют нейтрально, посредством процесса преимущественного присоединения, при котором многочисленные защитные системы включаются в геномные области, лишенные основных генов, где вставки являются допустимыми.
В данном исследовании мы провели комплексный анализ совместного присутствия защитных систем в 26 362 геномах Escherichia coli, а также в полных геномах четырех порядков бактерий - Enterobacterales, Bacillales, Burkholderiales и Pseudomonadales, чтобы изучить роль взаимодействия между различными защитными системами в антифаговом иммунитете. Наши результаты показывают, что совместное присутствие защитных систем существенно варьирует в филогруппах и таксонах E. coli и не связано напрямую с их совместной локализацией в геноме. Для нескольких пар неслучайно встречающихся и негативно ассоциированных защитных систем E. coli мы экспериментально продемонстрировали синергетическое взаимодействие, обеспечивающее эволюционное преимущество бактериальной популяции. Более того, было обнаружено, что некоторые из защитных систем, которые негативно ассоциированы с E. coli, совместно встречаются и в других бактериальных таксонах и также могут синергически защищать от определенных фагов. Эти результаты свидетельствуют о том, что отбор на надежный иммунитет, а не на механическую несовместимость, является основной движущей силой, формирующей репертуар защитных систем у бактерий.
В совокупности наши результаты убедительно свидетельствуют о том, что взаимодействие между защитными системами является обычным явлением и что неслучайная совместная встреча защитных систем у бактерий - это адаптивный феномен, обусловленный отбором на усиление иммунитета против специфических фагов. Стратегии защиты существенно различаются у разных таксонов бактерий, что, скорее всего, обусловлено видоспецифичностью виромов. Учитывая обширный горизонтальный перенос защитных систем, эволюция бактериальных защитных стратегий, по-видимому, следует общепризнанному принципу адаптивной эволюции микробов "Все существуют везде, среда отбирает " (правило Бейеринка - прим.ред).
