Исследователи Сколтеха из лаборатории профессора Северинова совместно с коллегами из Швейцарии и Израиля исследовали малоизученный механизм защиты бактерий от вирусов – BREX, и продемонстрировали, что его можно «отключить» при помощи вирусного белка, имитирующего ДНК. Результаты исследования опубликованыв журнале NucleicAcidsResearch.
Между бактериями и их вирусами-бактериофагами идет непрекращающаяся война, в которой, как и во всякой войне, чрезвычайно важно уметь отличать своего от чужого. Для защиты от вирусов некоторые бактерии с помощью так называемых систем рестрикции-модификации (RM) научились «маркировать» свой генетический материал путем метилирования его отдельных участков. Все «немаркированные» ДНК, например, ДНК бактериофага, распознаются, а затем разрушаются ферментами-эндонуклеазами. Некоторые фаги, в свою очередь, научились «спасаться» от RM-систем, используя белки, имитирующие немаркированную ДНК. Эндонуклеаза воспринимает такой белок как ДНК в силу их химической схожести и связывается с ним, что предотвращает «атаку» на ДНК фага.
Аспирант Сколтеха Артем Исаев и его коллеги из Тель-Авивского университета и Научно-исследовательского центра PhilipMorrisInternational показали, что Ocr – белок хорошо изученного фага T7, имитирующий ДНК, представляет собой универсальный инструмент, который не только является ингибитором RM-систем, но и способен защищать фага от системы BREX. BREX (BacteRiophageEXclusion) – это еще один способ защиты бактерий от фагов. Он используется многими бактериями и, в том числе, кишечной палочкой Escherichiacoli, которая часто становится «жертвой» фага T7.
«Пять лет назад мы знали, что бактерии могут защищаться от вирусов с помощью RM-систем, CRISPR-системы и токсин-антитоксиновых систем. В последние годы с помощью методов биоинформатики было предсказано, что эти системы – лишь малая часть огромного многообразия защитных механизмов, которые бактерии используют для борьбы с фагами. BREXстала первой среди новых предсказанных систем, защитное действие которой было показано в экспериментах. Такими системами обладает приблизительно одна десятая часть всех микроорганизмов, а у бактерий эти системы встречаются даже чаще, чем знаменитые CRISPR-системы. При этом нам пока неизвестно, как именно BREX-системы спасают бактерии от инфекции», – сказал Исаев.
В отличие от RM-систем, BREXне разрушает ДНК фага. Возможно, она каким-то образом препятствует ее репликации внутри зараженной клетки. Известно, что практически во всех механизмах BREX используется метилтрансфераза BrxX– фермент, отвечающий за «маркировку» ДНК бактерии с целью ее самораспознавания. По-видимому, белок Ocrсвязывается с метилтрансферазой BrxXи выключает ее. В результате клетка теряет возможность отличить свою ДНК от ДНК фага и не может бороться с инфекцией.
«Мы показали, что Ocr взаимодействует с метилтрансферазой, блокируя метилирование хозяйской ДНК. Теоретически это могло бы вызвать аутоиммунную реакцию: поскольку хозяйская ДНК уже не «маркирована» как таковая, она может подвергаться атаке со стороны системы BREX. Однако этого не происходит. Чтобы понять, как именно Ocrпреодолевает BREX, в будущем нам необходимо будет понять принципы защитного действия BREX», – объяснил Исаев.
Так как системы защиты бактерий от вирусов в основном строятся на распознавании чужеродной ДНК, инструменты на их основе могут использоваться в молекулярной биологии и медицине. Благодаря открытию RM-систем и описанию механизма их работы стало возможным молекулярное клонирование, а открытие систем CRISPRположило начало геномному редактированию. Кроме того, исследование средств защиты бактерий и фагов может помочь в поиске и подборе вирусов для борьбы с резистентными к антибиотикам бактериями.
«История борьбы бактерий с фагами насчитывает миллиарды лет. Эта непрекращающаяся «гонка вооружений» является одной из основных движущих сил эволюции в мире микроорганизмов. Обе стороны накопили богатый арсенал стратегий борьбы друг с другом. Лично мне интересно узнать, какие еще тайны хранит в себе геном и какие новые механизмы мы сможем открыть, изучить и применить в будущем», – отметил в заключение Исаев.
