Иногда лучшая защита от враждебных захватчиков - хороший, долгий сон. По крайней мере, эта стратегия работает для бактерий.
В новом исследовании, описанном в журнале Nature, ученые Рокфеллера показали, что микробы при вирусной атаке обращают свою защиту не только на своих врагов, но и на самих себя. Исследователи обнаружили, что эта радикальная мера не убивает бактерии, а переводит их в спящее состояние, что предотвращает распространение инфекции.
Злобные вирусы
Среди бактерий вирусы, называемые бактериофагами, являются врагами общества номер один.
Эти патогены размножаются, вводя свой геном в ничего не подозревающие микробы, в конечном итоге вызывая разрыв их клетки-хозяина, после чего высвобождается потомство фага, заражающее других членов бактериальной колонии.
Чтобы смягчить эти атаки, бактерии развили иммунные механизмы, известные как CRISPR, или сгруппированные короткие палиндромные повторы с регулярными промежутками, которые с помощью связанных ферментов Cas обнаруживают и уничтожают чужеродный генетический материал.
Микробы имеют в своем распоряжении множество различных систем CRISPR, одна из которых привлекла внимание Лучано Марраффини благодаря своей уникальной стратегии отражения злоумышленников. В то время как большинство ферментов Cas разрушают вирусную ДНК, этот конкретный фермент, Cas13, работает путем расщепления РНК.
«Поскольку Cas13 нацелен на РНК, первоначально считалось, что он эволюционировал, чтобы препятствовать фагам с геномами РНК. Проблема в том, что фаги РНК чрезвычайно редки», - говорит он. «Поэтому мы хотели посмотреть, может ли он эволюционировать для выполнения другой функции».
Работая с Хелен Хей Уитни, постдокторским сотрудником Александром Мееске, Марраффини показал, что активация Cas13 на самом деле защищает бактерии от фагов с геномами ДНК, которые встречаются гораздо чаще. Но как, задавались они вопросом, может ли фермент, расщепляющий РНК, действительно защитить микробы от такого рода вирусов?
В ходе серии экспериментов исследователи обнаружили, что Cas13, по иронии судьбы, помогает бактериям, препятствуя их развитию. То есть фермент разрезает фрагменты РНК-хозяина, отправляя бактерии в спящее состояние - своего рода фазу покоя, в которой микробы остаются живыми, но не растут. Эта стратегия работает, говорит Миске, потому что для репликации вирусам нужна РНК-хозяин.
«Фаги - это паразиты: у них нет всех элементов, необходимых для их размножения, поэтому они полагаются на хозяина», - объясняет он. «И если клетка-хозяин не производит эти элементы, фаг не может размножаться».
Нет спасения
Исследователи также обнаружили, что Cas13 убивает вирусы более тщательно, чем другие ферменты Cas. Стандартные системы CRISPR-Cas являются высокоспецифичными, разрезая фрагменты ДНК, соответствующие точной генетической последовательности. И хотя эта специфичность может быть преимуществом, у нее есть и большой недостаток: если вирус мутирует, CRISPR не сможет распознать захватчика, и фаг ускользнет безнаказанным.
«Если фаг имеет одну точечную мутацию в своей последовательности-мишени, то обычно вирус невидим для Каса, и заражение пройдет успешно», - говорит Марраффини. «Но с Cas13 мы не видели мутантов-убегающих».
Исследователи объясняют эту превосходную способность бороться с вирусами тем фактом, что клеточный покой не нацелен на один конкретный вирус, а скорее делает невозможным размножение любого фага, включая мутантов. И хотя бесконечный сон может показаться микробу чем-то вроде жизни, Мееске отмечает, что реальная польза от Cas13 лежит не на уровне отдельного человека, а на уровне бактериального сообщества в целом.
«У фага есть один шанс, чтобы доставить свою генетическую нагрузку и размножиться», - говорит он. «Поэтому, если они вводят свой геном в хозяина, который оказывается негостеприимным, инфекция на этом останавливается. Фаг проигрывает, а бактериальная колония выигрывает».