Бактерии используют «сумасшедший молекулярный механизм» для борьбы с вирусами
Вирусы поражают как бактерии, так и людей, и некоторые бактерии используют то, что один ученый называет «сумасшедшим молекулярным механизмом», чтобы защитить себя, показывают два исследования, опубликованные в Science. Бактерии вызывают совершенно новый ген, которого обычно нет в их репертуаре. Этот ген, названный нео обеими группами, которые его обнаружили, затем порождает белок, который блокирует вирусных захватчиков.
Хотя механизм кажется странным, «это превосходные статьи», говорит микробиолог Од Бернхайм из Института Пастера, которая не была связана с исследованием. «Оба имеют очень убедительные доказательства». Результаты предлагают последний вызов ошибочному восприятию того, что генетическая информация течет только одним путем — от ДНК к РНК и к белкам — и повышают вероятность того, что подобные криптические гены скрываются в других организмах, даже у людей.
Исследования показывают, что для сборки своего нового гена бактерии используют ферменты, называемые обратными транскриптазами, которые инвертируют ключевой клеточный механизм. Обычно клетки начинают с информации, закодированной в ДНК гена, чтобы производить молекулы РНК, такие как матричные РНК (мРНК), которые несут инструкции по синтезу белка. Но обратные транскриптазы могут перевернуть процесс и производить ДНК-версии молекул РНК. Обнаруженные в вирусах, вызывающих опухоли, ферменты также позволяют ВИЧ захватывать человеческие клетки. Однако многие бактерии также вырабатывают обратные транскриптазы, и новая работа показывает, как по крайней мере один вид бактерий использует их, чтобы поменяться ролями с вирусами, известными как фаги.
Две группы исследователей, которые обнаружили этот поворот, независимо друг от друга пытались понять загадочный механизм защиты от антифагов, выявленный в некоторых бактериях в 2020 году молекулярным биологом Фэн Чжаном из Массачусетского технологического института, который помог создать редактор генов CRISPR, и его коллегами. Бактериальная ДНК, кодирующая эту защитную систему, включает последовательность для короткой молекулы РНК, которая, по-видимому, не транслируется в белок. Она также содержала ген обратной транскриптазы. Загадка заключалась в том, «как фермент, который заставляет ДНК отвечать за защиту от фагов?» — говорит Стивен Тан из Колумбийского университета.
Тан вместе со своим научным руководителем Сэмюэлем Стернбергом возглавили одну из исследовательских групп, которая теперь решила эту загадку; Чжан и его научный сотрудник Макс Уилкинсон возглавили вторую команду. Каждая группа переносила ДНК, кодирующую защитную систему, из кишечной бактерии в лабораторную стойкую Escherichia coli , бактерию, которой легче манипулировать. Они обнаружили, что клетки E. coli использовали обратную транскриптазу для формирования neo — ДНК-копии загадочного короткого сегмента РНК — при атаке фагов. Но ДНК была странной, обычно содержащей многочисленные копии одной и той же последовательности — иногда более 100 — связанных вместе. Обратная транскриптаза обычно отбрасывает цепочку РНК после того, как она закончила делать копию ДНК, но в сконструированной E. coli фермент, по-видимому, возвращался к началу цепочки снова и снова, как будто проигрывая песню на повторе.
«Я долго ломал голову» над повторением, говорит Уилкинсон. Вероятное объяснение заключается в том, как клетки считывают ДНК гена, чтобы создать белок. Чтобы произвести необходимую мРНК, кластер белков должен сначала приземлиться на участок ДНК, называемый промотором, который находится рядом с геном. В neo каждый повторяющийся сегмент содержит два фрагмента промотора, но они находятся на противоположных концах сегмента. Связывая повторы конец к концу в непрерывном фрагменте ДНК, бактерии собирают рабочий промотор из двух отдельных частей, сообщают Уилкинсон, Чжан и коллеги сегодня в Science.
Этот промотор и прилегающая ДНК, вновь созданная из РНК, затем могут функционировать как типичный ген, кодирующий белок. Создаваемый только тогда, когда бактерии подвергаются атаке, белок заставляет клетки впадать в спячку, что блокирует размножение фагов внутри них, как сообщили Тан и его коллеги ранее также в журнале Science. «Если хозяин отключается, у вируса нет ресурсов для самовоспроизведения», — говорит Тан.
Почему клетки обращаются к этой запутанной системе, а не постоянно вырабатывают противовирусный белок, остается неясным. Одна из возможностей заключается в том, что белок neo настолько мощный, что отключит даже здоровые клетки, поэтому бактерии активируют его только во время кризиса. С другой стороны, механизм может помешать одной из тактик заражения фагами, говорит Уилкинсон. Когда вирусы проникают в бактерию, они обычно разрезают ее ДНК. Но если бактерия может использовать уже существующую обратную транскриптазу и кодирующую промоутер РНК, чтобы создать новый противовирусный ген, она все равно может дать отпор. «Это своего рода перехитрить вирус», — говорит он.
Статьи «представляют собой хорошее обоснование и дополняют друг друга», — говорит молекулярный эволюционный генетик Ирина Архипова из Морской биологической лаборатории. Эта самодельная система построения генов «ранее не демонстрировалась в природе, и она может открыть путь для потенциальных приложений». Например, генные инженеры могли бы использовать этот механизм, чтобы заставить клетки производить новые белки.
Около 5% бактерий несут ДНК для защитной системы, и Бернхайм говорит, что это может быть еще более распространено. «Если бактерии каким-то образом справляются с этим, возможно, и другие организмы справляются с этим». Тан говорит, что он и его коллеги даже ищут похожую систему в человеческих клетках.