CRISPR, или сгруппированные регулярно расположенные короткие палиндромные повторы, являются неотъемлемой частью бактериального иммунитета, предназначенного для защиты от чужеродной ДНК. В бактериях CRISPR действует точно так же, как и в клетках человека, как ножницы, в их случае с целью разрезания нитей заражающей ДНК. Хотя исследователи знали, что CRISPR обнаружен примерно у половины всех бактерий в дикой природе, они мало что знали о молекулярной битве между CRISPR и вторгающимися вирусами или фагами.
В двух статьях, опубликованных одновременно в журнале Cell 19 июля, исследователи из независимых групп представили доказательства кооперации фагов при атаке бактерий, содержащих CRISPR. Они обнаружили, что, чтобы преодолеть разрушение CRISPR, фаги адаптировались, объединив усилия, чтобы быстро заразить бактерию, иногда с одним фагом, жертвующим собой в качестве фага-праймера. Обе исследовательские группы - из Калифорнийского университета в Сан-Франциско (UCSF) и Эксетерского университета в Англии - сосредоточены на иммунных отношениях между бактериями и фагами с использованием белков CRISPR и анти-CRISPR.
Калифорнийский университет
Исследователи UCSF неожиданно обнаружили, что фаги сотрудничают, чтобы выиграть битву времени и количества против CRISPR. Чтобы быть эффективной иммунной стратегией, CRISPR-содержащие бактерии должны быстро реагировать на фаговое воздействие, и это должно быть сделано до того, как фаг убьет клетку. «Это довольно быстро тикающие часы и игра с числами», - говорит Джозеф Бонди-Деноми из Калифорнийского университета в Сан-Франциско (@joeBondyDenomy). «Белок CRISPR должен очень быстро найти вирусную ДНК, и если этого не произойдет, вирус начнет действовать и убьет клетку."
Команда изучила Pseudomonas aeruginosa, одну из бактерий, которая, как известно, предварительно экспрессирует несколько сотен молекул CRISPR до заражения. Он может действовать немедленно, как только геном одного фага попадает в клетку. У некоторых других бактерий CRISPR запускается только при заражении фагом.
Каждый белковый комплекс CRISPR содержит другую направляющую РНК из группы примерно из 30 известных направляющих РНК у этого типа бактерий. Чтобы система CRISPR была эффективной, она должна найти мишень, совпадающую с ее направляющей РНК. Победа для клетки достигается, когда механизм CRISPR с правильной направляющей РНК соответствует фагу, который заражает в данный момент, связывается с ДНК фага и разрезает ее. «Задача фага состоит в том, чтобы очень быстро производить анти-CRISPR-белки (Acr), чтобы предотвратить такое разрезание», - говорит Бонди-Деноми, которая впервые открыла анти-CRISPR-ингибиторы несколько лет назад. В этом исследовании его команда обнаружила, что один геном фага не может производить эти анти-CRISPR-белки достаточно быстро, потому что белки CRISPR уже ждут.
«Мы думаем, что происходит то, что первый фаг действует как фаг-камикадзе», - говорит Бонди-Деноми. «Он разрушается, но попутно начинает вырабатывать несколько соединений против CRISPR, которые нейтрализуют некоторые CRISPR и, следовательно, помогают его родственникам, последующей фаговой инфекции». Его команда предлагает новую модель, в которой первый фаг способствует успеху следующего фага, даже если этот первый фаг мертв. Тот, кто выиграет битву между CRISPR и фагом, определяется переломным моментом между количеством и скоростью взаимодействия CRISPR и молекулы против CRISPR. Кроме того, команда обнаружила, что не все молекулы анти-CRISPR действуют с одинаковой силой, добавляя еще один элемент к балансу.
Исследователи Калифорнийского университета в Сан-Франциско считают, что это сотрудничество фагов является формой альтруизма для обеспечения непрерывной репликации внутри хозяина, о чем ранее не сообщалось в моделях вирусов или фагов, которые обычно рассматриваются как инертные нуклеиновые кислоты в белковой оболочке. Они надеются, что это открытие будет стимулировать тех, кто работает в области вирусов, особенно тех, кто работает с человеческими вирусами.
Эксетерский университет
Микробиологи из Эксетерского университета также обнаружили, что фаговые частицы, заражающие бактерии Pseudomonas aeruginosa, могут работать вместе, чтобы преодолеть противовирусную защиту CRISPR.
Команда под руководством Эдзе Вестры (@edzewestra) и Стинеке Ван Хауте определила, что некоторые бактерии с механизмом CRISPR частично невосприимчивы к фагам, кодирующим анти-CRISPR. Они продемонстрировали, что эти фаги сотрудничают, чтобы преодолеть CRISPR, при этом первый фаг блокирует иммунную систему CRISPR хозяина, оставляя после себя бактериального хозяина с подавленным CRISPR иммунитетом, в котором второй фаг может успешно реплицироваться..
Учитывая, что один фаг сам по себе не может полностью подавить CRISPR, требуется «командная работа» фагов, чтобы преодолеть его и установить инфекцию в популяции бактерий. По мере увеличения числа бактериальных хозяев с подавленным иммунитетом CRISPR в популяции все больше и больше фаговых инфекций становятся успешными, что позволяет инфекции распространяться. Как следствие, для того, чтобы фаговая инфекция распространилась на всю бактериальную популяцию, изначально требуется определенное количество фагов в окружающей среде. Начальное количество фагов, необходимое для этого, знаменует собой переломный момент, от которого зависит, продолжит ли фаг размножаться или инфекция исчезнет.
Исследователи из Эксетера называют это открытие прорывом, который может быть полезен для улучшения фаготерапии, которая уже давно изучается и тестируется для лечения патогенных бактериальных инфекций. «Обнаружение того, что фаги действуют вместе, чтобы обезвредить бактериальную иммунную систему, было для нас очень неожиданным и может помочь улучшить стратегии использования фагов для лечения бактериальных инфекций у людей, поскольку доза фага, используемая в терапии, будет определять, сможет ли фаг успешно устранить бактериальную инфекцию», - говорит Ван Хаут.
«В более общем плане это показывает, что длительный иммуносупрессивный эффект вируса на его хозяина может иметь серьезные последствия для эпидемиологии инфекции», - говорит Вестра.
Исследование команды Калифорнийского университета в Сан-Франциско финансировалось Фондом Сандлера, Национальным институтом здравоохранения, Национальным научным фондом, Благотворительным фондом М. Дж. Мердока, наградой для молодых исследователей от Amgen и Сельскохозяйственной экспериментальной станцией Университета штата Монтана. Работа лабораторий Эксетерского университета финансировалась Wellcome Trust, Национальным советом по исследованиям в области окружающей среды, Исследовательским советом по биотехнологии и биологическим наукам и программой Европейского Союза Horizon 2020.