У бактерий нашли дополнительные белки для борьбы с вирусами и бактериофагами

Группа ученых из Массачусетского технологического института обнаружила у прокариот белки иммунной системы, которые могут детектировать не только вирусную ДНК, но и белки бактериофага. Такие белки одним участком распознают патоген, а после этого в них активируется фрагмент, который вызывает воспалительный ответ. Подобные иммунные системы известны во всех царствах живых организмов, но в бактериях их обнаружили впервые. Исследование опубликовано в журнале Science.

Борьба организмов с вирусами — это постоянная гонка вооружений. Чтобы эффективно сражаться с инфекцией нужен не один защитный механизм. В бактериях уже находили такие системы как CRISPR/Cas. Они уничтожают бактериофаг, обнаружив лишь небольшой участок его генома. Ученые считают, что у бактерий можно обнаружить еще множество способов избавиться от опасного вируса.

В иммунной системе эукариот давно известны NLR-рецепторы (NOD-like receptors) — ключевые игроки противовирусного ответа. Эти рецепторы состоят из трех участков: центрального, C-концевого, который отвечает за распознавание вируса, и N-концевого — вызывающего воспаление. NLR-белки реагируют на многие вирусные фрагменты: пептидогликаны из вирусной клеточной стенки, вирусную РНК или белки хозяина, измененные патогеном. В геноме бактерий тоже находили последовательности, кодирующие подобные рецепторы и они получили название Avs NLR-рецепторы. Однако до сих пор не было известно, как именно работает эта иммунная защита.

Группа исследователей из Массачусетского технологического института под руководством Линьи Алекса Гао (Linyi Alex Gao) и Фэня Чжана (Feng Zhang) в предыдущей работе изучила последовательности ДНК сотен тысяч бактерий и архей и выявила гены, кодирующие Avs NLR-рецепторы. В новом исследовании ученые сосредоточились на нескольких таких генах и их механизме действия: SeAvs3 из Salmonella enterica и EcAvs4 из Escherichia coli. Для обоих белков показана противовирусная активность в отношении фага PhiV-1, но неизвестно, как именно вирус активирует Avs белки.

Последовательность фага PhiV-1 клонировали и доставили в клетки E. coli. Предполагалось, что совместная экспрессия белков Avs и их возможных вирусных триггеров приведет к разрушению вирусной ДНК. В присутствии рецепторов Avs деградировала та вирусная ДНК, которая кодировала большую субъединицу вирусной терминазы (gp19) и структурный белок gp8. Выяснилось, что белки SeAvs3 и EcAvs4 работали как нуклеазы и уничтожали вирусную ДНК.

Также оказалось, что рецепторы SeAvs3 и EcAvs4 распознают широкий спектр вирусных белков. Например, они уничтожали непосредственно протеины gp19 и gp8, а не только фрагменты ДНК, которая их кодирует. Протеины Avs реагировали не на пептидную последовательность, а на особенности третичной структуры белков, поскольку в исследовании изучались терминазы с идентичностью последовательности менее 5 процентов, но каждая из них активировала рецепторы Avs.

С помощью криоэлектронной микроскопии ученые определили структуры комплексов «Avs-фаговый белок» и показали, что Avs образуют тетрамеры, в которых С-концевой домен связывается с одним белком-мишенью.

Обнаруженная иммунная система на основе NLR-рецепторов подчеркивает сходство между защитными стратегиями прокариот и эукариот и расширяет представления о распознавании патоген-специфических белков в царстве бактерий. Однако вирусы и бактериофаги не уступают в гонке вооружений и изобретают новые пути обхода иммунной системы клеток хозяев. Ранее мы рассказывали, как бактериофаг справляется с иммунитетом бактерий, подавляя активность CRISPR.

Ирина Грищенко