Ученые предположили, что бактериальная версия иммунной системы будет роботом уничтожать все, что она распознала как вторгающиеся вирусные гены. Однако новые эксперименты в Университете Рокфеллера теперь показали, что одна разновидность бактериальной иммунной системы, известная как система CRISPR-Cas, может отличать вирусного врага от друга.
И, как сообщают исследователи в статье, опубликованной 31 августа в Nature, они делают это, отслеживая один конкретный сигнал.«Транскрипция — начальный этап процесса считывания генов, в том числе вирусов, — имеет значение», — говорит исследователь Лучано Марраффини, руководитель лаборатории бактериологии. «Полный геном вирусов в их литической, или деструктивной фазе, транскрибируется. Между тем, некоторые из генов вируса транскрибируются во время его лизогенной или спящей фазы».Вирусы в своей литической фазе копируют себя, используя механизмы клетки, прежде чем уничтожить ее, чтобы высвободить эти новые вирусы.
Между тем, вирусы в лизогенной фазе незаметно интегрируются в генетический материал хозяина. И именно здесь они предлагают свою потенциальную пользу бактериям, которые кооптируют вирусные гены в своих целях.
Фактически, некоторые болезнетворные микробы, такие как бактерии, вызывающие дифтерию, должны улавливать правильный вирус, чтобы атаковать людей.Эту адаптивную бактериальную иммунную систему ученые открыли сравнительно недавно.
Его функция основана на CRISPR, участках ДНК, которые содержат повторяющиеся последовательности, перемежающиеся с уникальными последовательностями, называемыми спейсерами. (CRISPR означает сгруппированные короткие палиндромные повторы с регулярными интервалами.) Спейсерные последовательности соответствуют последовательностям вирусного генетического кода, что позволяет ферментам, кодируемым CRISPR-ассоциированными генами (Cas), отщеплять отдельные спейсерные последовательности из РНК, транскрибируемой из CRISPR ДНК. Другие ферменты Cas затем используют эти спейсерные последовательности в качестве ориентира для нацеливания на захватчиков для разрушения.Система может адаптироваться к новым захватчикам, приобретая новые последовательности спейсеров для их нацеливания.
В последнее время системы CRISPR-Cas привлекли значительное внимание ученых, поскольку их способность точно целенаправленно разрезать ДНК может быть использована для генетической инженерии всех типов клеток.«Наше понимание систем CRISPR-Cas остается на ранних стадиях, но до сих пор в целом считалось, что им не хватает изощренного способа различения своих целей.
Другими словами, как только они нацелятся на что-то, это будет разрушено», — сказал он. говорит ведущий автор исследования, аспирант Грегори Голдберг. «Наша работа впервые показала, что система CRISPR-Cas, обнаруженная в бактериях Staphylococcus, может определять, находится ли вирус в деструктивной фазе и представляет непосредственную угрозу».Большая часть предыдущей работы была сосредоточена на литических вирусах.
Однако стафилококки являются хозяевами многих вирусов, способных вступать в лизогенную фазу. Исследователи также обнаружили явную асимметрию в способности системы Staphylococcal CRISPR эффективно воздействовать на последовательность и ее аналог на двух цепях комплементарной ДНК. Они подозревали, что это несоответствие возникло из-за того, что транскрипция для большинства вирусных генов происходит в одном направлении, а это означает, что одна из двух цепей-мишеней не транскрибируется.
«Большой ключ к разгадке обнаружился, когда мы выделили мутантный вирус, которому удалось избежать уничтожения. Иногда вирусы могут сделать это посредством мутации в целевой последовательности, которая не позволяет системе их идентифицировать. Но когда мы секвенировали геном этого фага, мы обнаружили мутация в области, которая вместо этого способствует транскрипции », — говорит Голдберг.В серии экспериментов он и его коллеги проверили свою гипотезу о том, что стафилококковая система CRISPR-Cas, известная как тип III-A, может переносить инфекцию лизогенным вирусом, если целевые последовательности не транскрибируются.
Они сконструировали целевую последовательность, которая будет транскриптировать только в присутствии определенного химического вещества. В результате система CRISPR-Cas типа III-A уничтожала цель только в присутствии этого химического вещества.
«Это открытие требования транскрипции, вероятно, удивит многих, кто работает с этими системами», — говорит Марраффини. «Хотя мы еще не понимаем механизма, лежащего в основе этого, мы можем сказать, что система Типа-III-A сильно отличается от других систем CRISPR-Cas, которых существует загадочно большое разнообразие. Наше открытие намекает на возможность того, что каждая Тип и подтип CRISPR распознают и уничтожают свои цели по-разному, каждый в соответствии с потребностями конкретной бактерии. Если эти различные механизмы нацеливания действительно существуют, они могут иметь важные последствия для биотехнологии ».