Исследователи Сколтеха из лаборатории профессора Северинова совместно с коллегами из России и США описали схему работы механизма самозащиты бактерий из семейства систем токсин-антитоксин, который приводит к прекращению роста клетки, тем самым защищая ее от бактериофагов, антибиотиков и других угроз.
Исследователи Сколтеха совместно с коллегами из России и США описали схему работы механизма самозащиты бактерий из семейства систем токсин-антитоксин / ©Pavel Odinev / Пресс-служба Сколтеха
Результаты исследования опубликованы в журнале Nucleic Acids Research. Системы токсин-антитоксин состоят из двух расположенных рядом генов, один из которых кодирует «яд» – белок-токсин, который нарушает различные клеточные процессы, а другой — «противоядие», белок-антитоксин, который нейтрализует токсин.
Пока вырабатывается антитоксин, токсин «спит» (почти как трехголовая собака Пушок из серии книг о Гарри Поттере, которая спит, пока играет музыка). В стрессовых ситуациях, например, когда клетку атакует бактериофаг, антитоксин перестает вырабатываться или разрушается, и токсин «просыпается», нарушая рост клетки, а заодно и размножение вируса.
«Системы токсин-антитоксин широко распространены среди бактерий. Многие ученые пытались ответить на вопрос для чего они нужны, какова их роль в клетке, но однозначного ответа так и не нашли. Высказывались гипотезы о том, что эти системы «альтруистичны», что они убивают зараженные вирусами клетки, предотвращая тем самым распространение инфекции по популяции, но в итоге данные не подтвердились, опубликованные результаты были отозваны — сплошная драма.
Вопрос о том, почему эти системы все-таки существуют у большинства бактерий, может иметь простой, детский ответ: «а потому что». Возможно, эти системы «эгоистичны» — проблема собственного распространения среди бактерий «волнует» их гораздо больше, чем благополучие клетки, в которой они решают поселиться. Как бы то ни было, отсутствие биологической роли не делает токсин-антитоксиновые системы менее интересными с точки зрения дальнейших исследований и возможных практических применений», — говорит Константин Северинов.
Существуют несколько типов систем токсин-антитоксин, большинство из них предсказаны с помощью средств биоинформатики, и лишь немногие изучены экспериментально. Львиная доля токсинов представляют собой рибонуклеазы, которые выводят из строя РНК, однако некоторые из них выполняют другие функции. Группа исследователей под руководством Константина Северинова и Светланы Дубилей из Центра наук о жизни Сколтеха исследовала токсин AtaT2, который относится к редкому классу токсинов GNAT (Gcn5-связанная N-ацетилтрансфераза).
В результате, ученые показали, что этот токсин препятствует трансляции белка, то есть синтезу белка рибосомой, за счет порчи транспортной РНК, ответственной за включение в белки простейшей аминокислоты — глицина.
Исследователи модифицировали бактерию E.coli, чтобы иметь возможность «включать» синтез токсина AtaT2, а затем определили механизм работы токсина, наблюдая за поведением «отравленных» клеток. Оказалось, что AtaT2 препятствует трансляции белка, задерживая рибосомы на глициновых кодонах в кодирующих белки последовательностях матричной РНК. В результате рибосомы не могут довести процесс строительства белков до конца.
Примечательно, что антитоксин, образующий пару с AtaT2, не содержит глицина, поэтому токсин не влияет на процесс синтеза антитоксина. Исследователи предполагают, что в результате возникает внутренняя обратная связь, которая препятствует образованию слишком большого количества AtaT2 и способствует скорейшему восстановлению клеток, оказавшихся под воздействием токсина.
Если гипотеза об «эгоистичном» характере систем токсин-антитоксин верна, можно предположить, что между этими системами идет борьба за хозяйские клетки – бактерии. Если это действительно так, то со временем у родственных токсинов должны оказаться разные мишени, так как это позволит снизить уровень конкуренции между разными системами.
Профессор Северинов и его коллеги предполагают, что в семействе токсинов GNAT эти различия могут выражаться в том, что мишенями окажутся транспортные РНК, специфичные для каждой из 20 генетически кодируемых аминокислот. «Если это предположение верно, то группа таких токсинов, независимо от их биологической функции, может стать эффективным инструментом, позволяющим управлять каждым отдельным этапом синтеза белка внутри клетки, что может послужить основой для создания новых мощных антибиотиков», – отмечает Северинов.
В исследовании принимали участие специалисты Института биологии гена РАН, МГУ имени М. В. Ломоносова, Иллинойского университета (США), Школы остеопатической медицины при Университете Роуэна (США) и Института микробиологии Ваксмана при Ратгерском университете (США).
