Когда инородные тела атакуют, молекулярное ополчение, составляющее нашу иммунную систему, начинает войну. В хаосе битвы эта кавалерия должна быть осторожна, чтобы не стрелять по своим солдатам; и организмы, начиная от людей и заканчивая бактериями, выработали специальные механизмы, чтобы избежать такого смешения.
Новое исследование ученых из Рокфеллера описывает одну стратегию, с помощью которой бактерии различают свои войска и вредоносных захватчиков, таких как вирусы. Исследование, опубликованное в Molecular Cell, показывает, что белок Cas10 обычно безвреден, но при столкновении с чужеродным генетическим материалом трансформируется в ферментативного убийцу.
Уникальная линия защиты
Одним из способов, которым бактерии защищают себя, является использование CRISPR, или сгруппированных коротких палиндромных повторов с регулярными промежутками, и связанных белков Cas. Эти системы не только отбивают патогены, но и запоминают их: когда бактерия подвергается нападению, она копирует и сохраняет участок ДНК захватчика. Эта генетическая последовательность, называемая спейсером, помогает бактерии идентифицировать захватчика в следующий раз, когда она нанесет удар. Как только нарушитель обнаружен, ферменты Cas растворяют его ДНК.
Расширяющаяся область исследований CRISPR ценна для понимания того, как бактерии приобретают иммунитет против вирусов и как этот иммунитет влияет на эволюцию микробов. Ученые идентифицировали несколько типов систем CRISPR, в том числе тип II, который в последнее время привлек значительное внимание из-за его использования в технологии редактирования генов. Профессора Шисинь Лю, однако, интересовала менее изученная система, известная как Тип III, которая, по его словам, «является самой увлекательной системой CRISPR из существующих."
Энтузиазм Лю в отношении типа III возник после бесед с профессором Лучано Марраффини, чья лаборатория занимается изучением систем CRISPR-Cas. В 2017 году Марраффини и его коллеги показали, что системы типа III обладают уникальной способностью нацеливаться не только на одну последовательность захватчиков, но и на вариации генетической темы. Это означает, что даже если вирус мутирует, CRISPR-Cas все еще может идентифицировать и уничтожить его ДНК.
«Для других систем у вас есть одна мутация в последовательности-мишени, и иммунитет обычно теряется», - говорит Лю. «Но системы типа III, в которых используется фермент Cas10, могут быть эффективными, даже если у мишени есть множественные мутации».
По сравнению с ферментами других типов CRISPR, Cas10 воздействует на относительно широкий спектр целей; тем не менее, ему удается избежать повреждения собственной ДНК бактерий. Как, задавался вопросом Лю, комплексы типа III различают себя и других?
Уклонение от дружественного огня
Работая с Марраффини и докторантом Линг Ван, Лю решил лучше понять, как Cas10 взаимодействует с различными видами РНК. Они проанализировали динамику фермента с помощью флуоресцентной микроскопии отдельных молекул - метода, который позволяет исследователям отслеживать молекулярные изменения с течением времени.
Исследователи обнаружили, что когда Cas10 подвергся воздействию РНК захватчика, структура фермента приобрела новые формы. И, говорит Лю, по мере того, как Cas10 циклически проходит через различные конформации, он периодически переходит в активное состояние, которое наделяет фермент способностью растворять ДНК.
Напротив, когда затем Cas10 столкнулся с «собственной» РНК, фермент оказался запертым в неактивном положении, что запрещало любое нарезание и разрезание ДНК. Эти результаты, по словам Лю, объясняют, как системы типа III избегают саморазрушительного поведения.
«Мы не хотим, чтобы Cas10 случайным образом расщеплял ДНК. Его активность должна регулироваться», - говорит он. «И похоже, что фермент работает только тогда, когда он высвобождается из своей неактивной конфигурации».
Исследователи также обнаружили, что, когда Cas10 подвергался воздействию мутировавшей вражеской РНК, фермент мог принимать лишь ограниченное число активных форм. И по мере того, как пластичность Cas10 уменьшалась, уменьшалась и сила иммунного ответа бактерии.
Эти результаты показывают, что сильный иммунный ответ зависит от способности Cas10 перемещаться: когда фермент может свободно перемещаться, он проводит больше времени в активном состоянии и, следовательно, больше времени разрушает опасную ДНК. Тем не менее, отмечает Лю, даже когда фермент теряет часть своей гибкости, он не полностью утрачивает способность наносить вред захватчикам.
«Эти результаты показывают, что иммунитет - не бинарная вещь, - говорит он. «Скорее, сила иммунитета меняется постепенно по мере мутации чужеродной РНК».
Это исследование помогает объяснить уникальные стратегии нацеливания систем типа III и способствует текущим усилиям по пониманию того, как иммунитет CRISPR-Cas влияет на эволюцию бактерий.