Устойчивые к CRISPR вирусы строят «убежища» для защиты геномов от ДНК-проникающих ферментов

Услугами облачного провайдера пользуются не только бизнес, но и госучреждения — институты, федеральные агентства, медицинские организации. Вот про медицину корпоративный облачный провайдер Cloud4Y и предлагает поговорить.

Бактерии и вирусы, которые их заражают, участвуют в собственной гонке вооружений: древней, как сама жизнь. Эволюция подарила бактериям целый арсенал иммунных ферментов, включая системы CRISPR-Cas, способные уничтожать вирусную ДНК. Но вирусы, убивающие бактерии (фаги), выработали собственные инструменты, с помощью которых можно преодолевать даже самые грозные бактериальные защиты.

Учёные из Калифорнийского университета обнаружили замечательную новую стратегию, которую используют некоторые фаги во время защиты от ферментов, проникающих в их ДНК. После заражения бактерии эти фаги создают непроницаемое убежище, своего рода «комнату безопасности» в организме, которая защищает уязвимую ДНК фага от противовирусных ферментов. Этот компартмент, весьма похожий на ядро клетки, можно назвать самым эффективным щитом от CRISPR, когда-либо обнаруженным в вирусах.

В экспериментах, проводимых в лаборатории кафедры микробиологии и иммунологии Калифорнийского университета в Сан-Франциско (UCSF), эти фаги не поддавались ни одной из систем CRISPR. «Это был первый случай, когда кто-либо обнаружил фаги, демонстрирующие такой уровень устойчивости к CRISPR», — подчеркнул Джозеф Бонди-Деноми, доцент кафедры UCSF. О своём открытии он рассказал в статье, опубликованной 9 декабря 2019 года в журнале Nature.

Охота на ДНК, в которую не может проникнуть CRISPR

Джозеф Бонди-Деноми возглавлял исследовательскую группу, которая открыла «убежище» фагов

Чтобы найти устойчивые к CRISPR фаги, исследователи отобрали вирусы из пяти различных семейств фагов и использовали их для заражения распространенных бактерий, которые были генетически спроектированы для развёртывания четырех различных ферментов Cas, ДНК-проникающего компонента систем CRISPR.

Фермент рестрикции HsdR (красный), белок, который обычно режет ДНК фага (синий), не может проникнуть в ДНК. Ядрообразная оболочка, собранная фагом, окружает ДНК фага, создавая барьер, который делает геном фага недоступным для HsdR и других ферментов, проникающих в ДНК.

Эти усиленные CRISPR бактерии вышли победителями против большинства фагов, с которыми они столкнулись. Но два гигантских фага (своё название они получили за то, что их геномы были в 5-10 раз больше геномов наиболее хорошо изученных фагов), оказались непроницаемыми для всех четырёх систем CRISPR.

Учёные решили провести дополнительные испытания этих гигантских фагов, чтобы исследовать пределы их устойчивости к CRISPR. Они подвергли их воздействию бактерий, оснащенных совершенно другим типом CRISPR, а также бактерий, оснащенных системами рестрикции-модификации. То есть ферментом, расщепляющим ДНК, который более распространен, чем CRISPR (системы рестрикции обнаружены примерно у 90 процентов видов бактерий, в то время как CRISPR присутствует только в примерно 40%)%), но может быть нацелен только на ограниченное количество последовательностей ДНК.

Результаты были такими же, как и раньше: чашки Петри были завалены разрушенными остатками зараженных фагом бактерий. Эти фаги были устойчивы ко всем шести протестированным бактериальным иммунным системам. Ни один другой фаг не был на это способен.

Казалось, гигантские фаги были практически неразрушимы. Но эксперименты в пробирке показали обратное — ДНК гигантского фага была столь же уязвима для CRISPR и ферментов рестрикции, как и любая другая ДНК. Резистентность к CRISPR, которая наблюдалась в зараженных фагом клетках, должна была быть результатом чего-то, что производили вирусы, что мешало CRISPR. Но что это могло быть?

Модель заражения синегнойной палочки фагом φKZ. Иллюстрация: Mendoza et al., 2019.

Казалось, во всём виноваты «анти-CRISPR». Эти белки, впервые обнаруженные Бонди-Деноми в 2013 году, являлись мощными инактиваторами CRISPR, кодируемыми в некоторых фаговых геномах. Но когда исследователи проанализировали последовательности генома гигантского фага, то не увидели и следа анти-CRISPR. Кроме того, каждый известный анти-CRISPR может отключать только определенные системы CRISPR, тогда как гигантские фаги были устойчивы ко всем противовирусным ферментам, выделяемым в них. Всё, что защищало ДНК гигантского фага, должно было основываться на каком-то другом механизме.

Непроницаемый щит от CRISPR

Учёные терялись в догадках и строили модели. Кто в «облаке», кто на бумаге. После большого количества экспериментов удалось понять, что происходит. Когда гигантские фаги заражают бактерии, они создают сферический компартмент в середине клетки-хозяина, который сдерживает противовирусные ферменты и обеспечивает «убежище» для репликации вирусного генома.

Похожее открытие было сделано в 2017 году двумя другими учёными, Джо Поляно и Дэвидом Агардом. Эти исследователи продемонстрировали, что геном фага реплицируется в ядрообразной оболочке. Но до сих пор никто не знал, что оболочка также служит непроницаемым щитом против CRISPR.

Интересно, что у бактерий компартментализация встречается исключительно редко. У вирусов её не предполагается в принципе. И уж тем более чтобы компартмент был настолько похож на эукариотическое ядро. Однако поди ж ты – вот оно, псевдоядро!

Бактерия Pseudomonas chlororaphis, зараженная фагом 201φ2-1: фотография (а) и реконструкция (б). Псевдоядро – синее, собираемые капсиды вирусных частиц – зеленые, рибосомы – желтые.

Тем не менее, многие вопросы о оболочке и вирусах, которые ее создают, остаются без ответа, включая фундаментальные сведения о белке, из которого изготавливается оболочка «комнаты безопасности». По словам Джозефа Бонди-Деноми, при секвенировании этих фагов его команде удалось найти один из гипотетических белков. Но в некоторых близкородственных фагах такого белка обнаружить не удалось. Более того, пока неясно, как выглядит структура белка на атомном уровне.

Но строительный белок оболочки — не единственная загадка, которую Бонди-Деноми и его коллегам предстоит разгадать. Во время наблюдения за бактериями, заражёнными фагом, им удалось заметить ещё кое-что интересное: во время строительства «убежища» для фага (на это требуется примерно 30 минут) его геном остается в том месте, где он был введен в клетку-хозяина. В течение этого времени геном фага, по-видимому, уязвим для любых противовирусных ферментов, плавающих вокруг клетки-хозяина. Но так или иначе, геном остается неизменным, пока строится его «комната».

Возможно, какая-то временная оболочка защищает введённую ДНК вируса на ранней стадии. Словно защитный кожух, который сбрасывается, когда орудие готово к бою. Вот только учёные пока не смогли понять, что это за защита.

Зато учёным удалось выяснить, что оболочка не так непроницаема, как показали первые эксперименты. С помощью некоторой хитрой разработки ведущий автор исследования Сенен Мендоса, аспирант лаборатории Бонди-Деноми, нашёл способ обойти ядрообразный щит, прикрепив фермент рестрикции к одному из белков вирусной оболочки. Эта стратегия «троянского коня» позволила ферменту проникать в «убежище» во время его сборки и уничтожать фаговый геном внутри свободной от иммунитета зоны, благодаря чему бактериям удавалось выживать.

Этот эксперимент особенно интересен для исследователей, поскольку он показывает, что на самом деле существуют способы проникновения в «непроницаемый» кокон защиты генома вируса. А учитывая тот факт, что бактерии и фаги всегда находят новые способы взломать защиту друг друга, Бонди-Деноми считает, что очень скоро учёные обнаружат, что бактерии уже вооружены инструментами, необходимыми для прорыва или обхода этого способа защиты. Война будет продолжаться.

Что ещё полезного можно почитать в блоге Cloud4Y

→ Солёная солнечная энергия
→ Как «сломался» банк
→ Великая теория снежинок
→ Интернет на воздушных шарах
→ Пентестеры на передовой кибербезопасности

Подписывайтесь на наш Telegram-канал, чтобы не пропустить очередную статью! Пишем не чаще двух раз в неделю и только по делу.