Как работает «иммунитет» у бактерии?

У бактерий нет мозга, но есть память – по крайней мере, когда речь заходит об атакующих их вирусах. Большинство бактерий имеет молекулярную иммунную систему, позволяющую микробам захватывать и хранить частицы вирусной ДНК, чтобы при повторном появлении этих частиц уничтожить их.

Исследователи из Университета Рокфеллера (Rockefeller University, США) получили новые данные о том, как происходит зашифровка последовательности вирусной ДНК в геном бактерии для дальнейшего использования ее в качестве основы для работы разрушающих вирус ферментов.

«Бактерии, подобно позвоночным животным, имеют иммунную систему, способную распознавать чужеродное. Фермент Cas9, один из участников этой системы, использует иммунологическую память для управления разрезанием вирусной ДНК. Однако о том, как впервые формируется такая память, известно очень мало, – рассказывает доцент Лучано Марраффини (Luciano Marraffini), руководитель лаборатории Бактериологии (Laboratory of Bacteriology), – Наша работа показывает, что фермент Cas9 также управляет формированием памяти среди определенных бактерий».

Молекулярная память, называемая CRISPR-системой (clustered regularly interspaced short palindromic repeats, кластеризованные регулярно расположенные короткие палиндромные повторы), является «внедренным» бактериальным эквивалентом приобретенной иммунной системы, способной отличить полезные вирусы от вредных. Эта система вносит изменения в бактериальный геном, добавляя короткие вирусные повторы, называемые спейсерами, между повторяющимися последовательностями ДНК. Спейсеры формируют память о прошлых вирусах-интервентах. Они служат указателями для ферментов Cas, закодированных генами, ассоциированными с CRISPR, которые распознают и разрушают те же самые вирусы, как только они предпринимают попытку повторного инфицирования бактерии.

Способность Cas9 делать точные надрезы внутри генома, вирусного или иного, привлекла внимание ученых, использующих теперь ее для изменения генетической информации клетки в экспериментальных или терапевтических целях. Однако до сих пор недостаточно понятно, как система CRISPR работает в бактериях.

Ряд фактов наводил исследователей на мысль, что фермент Cas9 участвует в формировании иммунологической памяти. Дело в том, что для точной работы молекулярной иммунной системы необходима вторая последовательность вирусной ДНК – PAM (protospacer adjacent motif – мотив, соседствующий с протоспейсером), – обеспечивающая контроль работы фермента. Присутствие PAM предотвращает атаку ферментом собственной ДНК бактерии, содержащей «память». Ученые предположили, что, поскольку Cas9 распознает последовательность PAM при разрезании вирусной ДНК, вероятно, он распознает последовательность также и при формировании молекулярной памяти, когда впервые встречается с вирусом.

Чтобы доказать это, Роберт Хелер (Robert Heler), один из первых авторов публикации, в ряде экспериментов с бактериями Streptococcus pyogenes и Streptococcus thermophilus, ферменты которых распознают разные последовательности РАМ, поменял Cas9 между организмами. В результате, следом за последовательностями PAM, произошло переключение вирусов, что подтвердило участие фермента в распознавании последовательности при установлении молекулярной памяти. В ходе другого эксперимента исследователь изменил часть Cas9, связывающую последовательность PAM и обнаружил, что после этого бактерии захватывают последовательности вирусов случайным образом, разрушая их.

«Из-за важности в биотехнологии Cas9 привлекает большое внимание в связи со своим участием в процессе захватывания и расщепления вирусных геномов. Наша работа позволила пересмотреть роль Cas9 в формировании памяти и приобретенного иммунитета бактерий», – говорит Марраффини.

Молекулярная память: система CRISPR позволяет бактериям приспособиться к повторным атакам вируса. Staphylococcus aureus, у которого отсутствует система CRISPR, поражается вирусом NM4. На чашке Петри оценивается концентрация вирусных частиц, использованных в эксперименте. (фото: Image courtesy of Rockefeller University)

По материалам Rockefeller University

Оригинальная статья:
Robert Heler, Poulami Samai, Joshua W. Modell, Catherine Weiner, Gregory W. Goldberg, David Bikard, Luciano A. Marraffini. Cas9 specifies functional viral targets during CRISPR–Cas adaptation. Nature, 2015; DOI: 10.1038/nature14245