Сотрудники биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова совместно с учеными из Института биологии гена РАН, ФИЦ Биотехнологии и Университета штата Пенсильвания (США) сделали открытие новой системы иммунной защиты у бактерий. Когда активируется этот механизм, специфические белки внутри микроорганизмов формируют длинные нитевидные структуры — филаменты, что приводит к уничтожению инфицированной клетки и препятствует распространению инфекции на другие бактерии. Полученные данные расширяют перспективы в области антимикробной терапии и генетических изысканий. Результаты исследования были представлены в журнале Nature Communications.
В новой работе рассматриваются так называемые белки-Аргонавты. Эти соединения обнаруживаются в клетках как прокариот, так и эукариот. Они играют роль в иммунной защите организмов, уничтожая чужеродный генетический материал, проникший извне. Большинство прокариотических белков-Аргонавтов ( pAgo) распознают «вражеские» ДНК-мишени.
В ходе исследования была выявлена новая группа белков pAgo. Они образуют комплексы с нуклеазами1 HNH—семейства и выполняют очень примечательную функцию. Сталкиваясь с чужеродной ДНК (например, вирусной), эти белки не воздействуют на нее самостоятельно, а вместо этого активируют связанную с ними нуклеазу. А та, в свою очередь, запускает разрушение в клетке ДНК — причем не только «вражеской», но и собственной. Таким образом, источник угрозы уничтожается вместе с зараженным организмом.
Значительный интерес вызывает принцип работы белковых комплексов pAgo и HNH—нуклеазы — они работают «сообща». Когда в бактериальной клетке оказывается чужеродная ДНК, эти комплексы полимеризуются, собираясь в спиральные филаменты с регулярной структурой. Эти защитные образования обвивают ДНК в клетке и расщепляют ее. Изучить ранее неизвестный механизм помог метод криоэлектронной микроскопии.
В результате исследования ученые получили принципиально новые сведения о системах иммунной защиты прокариот, их разнообразии и сложности. Проект был поддержан Российским научным фондом.
Ученый-микробиолог, член-корреспондент РАН, пояснил, насколько важна работа корреспондента «Научной России Сергей Владимирович Сидоренко — руководитель отдела исследований в области медицинской микробиологии и геномики микроорганизмов Федерального научно-клинического центра инфекционных болезней ФМБА России, профессор кафедры медицинской микробиологии Северо-Западного государственного медицинского университета имени И.И. Мечникова, главный внештатный специалист-микробиолог Комитета здравоохранения Санкт-Петербурга.
«Чтобы понять значение сделанного открытия, необходимо обратиться к начальному этапу эволюции, — пояснил С.В. Сидоренко. — Много миллиардов лет назад живые организмы в основном представляли собой одноклеточные формы, тесно взаимодействовавшие друг с другом и осуществлявшие обмен генетической информацией. Этот процесс был критически важен для создания генетического разнообразия, необходимого для эволюции. Однако на более поздних этапах живым существам потребовалась стабилизация генома. Хотя иногда организмам необходимы новые гены, в большинстве случаев появление чужеродной генетической информации оказывает негативное воздействие, например, когда вирус поражает клетки человека или растения. Поэтому у более сложных организмов начали активно развиваться системы защиты. При этом защитные механизмы, включая иммунную систему человека, базируются на тех же фундаментальных принципах, что и на ранних этапах эволюции. Взаимодействие между клетками в то время характеризовалось балансом между проникновением, симбиозом и защитой от вторжения. Белки-Аргонавты, которые мы наблюдаем сегодня, являются потомками древних белков, участвовавших в этих процессах. В настоящее время эти белки играют значительную роль в жизни как бактерий, так и человека».
В будущем данное открытие может способствовать решению проблемы устойчивости к антибиотикам.
«У бактерий обмен генетической информацией протекает примерно на том же уровне, что и у самых ранних живых организмов миллиарды лет назад. Сохраняется равновесие между возможностями вирусов-бактериофагов и плазмид 2 внедряться в бактерии и возможностями микроорганизмов противостоять этому. С одной стороны, бактериям необходим обмен генетической информацией — например, чтобы поддерживать устойчивость к антибиотикам, им нужно получать новые плазмиды, включающие гены с этим свойством. С другой стороны, если таких плазмид станет слишком много, это начнет вредить микроорганизму, — подчеркнул С.В. Сидоренко. — В чём польза этих знаний для человека? Вопрос в том, что для противодействия антибиотикорезистентности давно предлагается влиять на эволюционные процессы, например, выявлять способы замедления обмена плазмидами, содержащими гены устойчивости к лекарственным средствам».
Основой для реализации этих перспектив является знание принципов функционирования бактериальных механизмов иммунной защиты. По словам С.В. Сидоренко, они отличаются большим разнообразием.
«Белки-Аргонавты — не единственный случай. Так, в последние годы особое внимание уделяется изучению системы CRISPR. У бактерий существует множество механизмов иммунной защиты, однако их эффективность не всегда высока, — подчеркнул С.В. Сидоренко. — На данном этапе мы пока не можем в полной мере объяснить, как бактерии решают, принимать ли чужеродную генетическую информацию или отторгать ее. Однако, именно эти знания могут помочь в разработке препаратов, способных препятствовать обмену генетической информацией между бактериями, например, той, что кодирует устойчивость к антибиотикам, повышенную вирулентность или другие нежелательные характеристики. Выявление новых механизмов, подавляющих иммунную защиту микроорганизмов, является важным этапом в решении этой задачи. При этом необходимо учитывать, что от фундаментального открытия, сделанного сегодня, до его практического применения может пройти значительное время».
Новые знания могут быть применимы и в биотехнологиях, в частности, в области геномного редактирования, которое используется для лечения болезней, вызванных генетическими факторами.
«Это открытие стало еще одним важным шагом в достижении намеченной цели, — подытожил Сергей Владимирович Сидоренко. — Не стоит ожидать, что это событие произведет революцию, однако именно такие небольшие шаги и составляют основу нашего будущего успеха».
1Нуклеазы — ферменты, которые обеспечивают распад молекул нуклеиновых кислот, таких как ДНК или РНК).
2Плазмиды — уникальные генетические образования, способные передаваться от одного микроорганизма к другому.
Источники
Московский государственный университет. Ученые из МГУ выяснили, как бактерии используют новый способ защиты от иммунной системы
Полное издание «Большая советская энциклопедия» в тридцати томах, третье издание (электронная версия доступна на сайте Вологодской областной универсальной научной библиотеки). И.Б. Збарский. Нуклеазы
Электронная версия Большой российской энциклопедии, охватывающая период с 2004 по 2017 год. Г.А. Журавлева. Плазмиды