«Вирусная инфекция может убить бактериальную клетку — или, в некоторых случаях, вирусный генетический материал может обеспечить преимущества, такие как защита от других вирусов. Вредные вирусы немедленно начинают размножаться, а полезные внедряются в бактериальный геном», — говорит Лучано. Марраффини, доцент и заведующий лабораторией бактериологии. «Используя выжидательный подход и терпя начальную фазу инфекции, бактерии могут сделать разумный выбор».
Исследование, опубликованное на этой неделе в Cell, помогает объяснить, как бактериям удается избавиться от вредоносной инфекции, несмотря на их медленную реакцию. В будущем это может послужить источником информации для разработки новых способов борьбы с инфекционными заболеваниями, среди других потенциальных приложений.
Защита в последнюю минутуИсследование сосредоточено на двух ферментах, Csm3 и Csm6, которые являются частью бактериальной иммунной системы, известной как CRISPR-Cas. Когда эти ферменты начинают действовать на поздней стадии инфекции, они расщепляют вирусную РНК.
Система CRISPR (кластеризованные регулярно перемежающиеся короткие палиндромные повторы) представляет собой тип адаптивного бактериального иммунного ответа, который основан на участках ДНК, содержащих последовательности, совпадающие с последовательностями в вирусном генетическом коде. Гены, связанные с CRISPR, используют эти последовательности как ориентиры для уничтожения захватчиков.Как правило, системы защиты CRISPR атакуют и уничтожают вирусную ДНК в течение нескольких минут после того, как она была введена в бактериальную клетку, поэтому у вторгающегося вируса нет шанса на репликацию. Однако особый тип CRISPR, исследованный в исследовании, называемый системой CRISPR-Cas типа III, ожидает репликации вируса и начинает свою атаку на более поздней фазе инфекции, после того как вирусная ДНК была скопирована и продолжает копироваться. транскрибируется в РНК.
«Похоже, что CRISPR-Cas типа III действительно нуждается в вирусе для производства РНК, прежде чем он сможет нацеливаться и разрушить вирусную ДНК», — говорит первый автор Вэньян Цзян, аспирант, который является первым автором статьи. «В результате системе приходится иметь дело с сотнями цепочек вирусной ДНК вместо одной, и может потребоваться до девяти часов вместо минут, чтобы избавиться от инфекции».Дополнительная защитаОжидание до этого момента чревато опасностью, и из-за большого количества присутствующих вирусных геномов обычные ферменты, расщепляющие ДНК, используемые системами CRISPR-Cas, не могут остановить инфекцию в одиночку.
Итак, исследователи обнаружили, что CRISPR-Cas типа III также использует ферменты Csm3 и Csm6 для нацеливания на вирусную РНК.Чтобы наблюдать эту РНК-ориентированную защиту в действии, Марраффини, Цзян и Пулами Самай, научные сотрудники лаборатории, создали мутированную форму бактерий Staphylococcus epidermidis, в которой отсутствовали ферменты Csm3 и Csm6.
Когда они заразили и мутант, и нормальные бактерии вирусом, мутантная популяция погибла от него.Исследование проясняет, как работает эта стратегия CRISPR-Cas, а также имеет потенциальные последствия для биотехнологии и медицины.
Способность CRISPR к расщеплению ДНК оказалась полезной при разработке методов генной инженерии, поскольку он может точно целенаправленно разрезать геномы. По словам Марраффини, понимание того, как работают ферменты, расщепляющие РНК CRISPR, может быть полезно для управления содержанием РНК в клетках человека.
«Исследование также расширяет наши знания о том, как бактерии взаимодействуют со своими вирусами, что важно для понимания бактериального патогенеза», — говорит Марраффини. «Вирусный генетический материал может увеличивать вирулентность патогенов, и в то же время вирусы могут использоваться для уничтожения патогенных бактерий в клинике. Понимание молекулярных механизмов взаимодействия бактерий и вирусов может помочь нам в борьбе с инфекционными заболеваниями».