В Сколтехе узнали, как бактерии собирают «разведданные» о бактериофаге — Naked Science
08.09.2020
Сколтех

В Сколтехе узнали, как бактерии собирают «разведданные» о бактериофаге

4.1

Ученые Сколтеха из лаборатории профессора Северинова исследовали малоизученный тип системы CRISPR-Cas у бактерий, обитающих в условиях чрезвычайно высоких температур. В ходе исследования было установлено, как система CRISPR-Cas распознает угрозу, собирая фрагменты генетической информации бактериофага в своей генетической «базе данных», которую она использует для борьбы с инфекциями. Понимание этого механизма открывает перспективы для дальнейших генетических манипуляций как с бактериями, так и с их вирусами-фагами.

Термальные источники Камчатки, где обитают бактерии Thermus thermophilus / ©i.baraholka.com.ru

Результаты исследования опубликованы в журнале Nucleic Acids Research. CRISPR-Cas – это класс мощных защитных систем, которые большинство прокариот используют для распознавания и уничтожения чужеродного генетического материала, например, бактериофагов. Каждая из таких систем представляет собой набор белков Cas, которые расщепляют нуклеиновые кислоты и используют фрагменты чужеродных последовательностей из массивов данных CRISPR, хранящихся в хромосоме клетки.

Белки Cas действуют подобно наряду полиции, получившему ориентировку на преступника: они образуют комплексы с короткими CRISPR РНК, содержащими информацию о генетическом «захватчике», ищут комплементарные CRISPR РНК нуклеиновые кислоты, а затем распознают и уничтожают их.

В зависимости от типа белков Cas, системы CRISPR-Cas подразделяют на шесть типов. Наименее изученным и наиболее сложным типом белков Cas является III тип. «Системы III типа существенно отличаются от всех остальных. Во-первых, в отличие от систем других типов, они распознают не ДНК, а чужеродную РНК. Во-вторых, как это ни странно, распознав РНК-мишень, системы этого типа, тем не менее, уничтожают ДНК, с которой данная РНК была транскрибирована», − рассказывает первый автор статьи Константин Северинов.

Он и его коллеги исследовали систему CRISPR-Cas III типа у гипертермофильной бактерии Thermus thermophilus, обитающей в горячих источниках по всему миру. Ученых интересовало, каким образом бактерия получает спейсеры, то есть «записи» для своей «базы данных» CRISPR. Спейсеры — это фрагменты чужеродной ДНК, встроившиеся в ДНК бактерии и выполняющие роль «печатных форм» для CRISPR РНК, используемых в дальнейшем для распознавания новых инфекций.

«Thermus − термофильная бактерия, она существует при температуре 65 градусов и выше, поэтому ее удобно использовать в качестве модели для биохимического и особенно структурного анализа, так как ее белки очень устойчивы. Однако, есть и отрицательный момент: бактерию Thermus, как правило, рассматривают не как микроб, а, скорее, просто как источник стабильных белков для прикладных и фундаментальных исследований, − отмечает Северинов.

– Наименее понятным в иммунитете CRISPR является механизм появления новых спейсеров, который во многих отношениях работает скорее по ламарковскому, чем по дарвиновскому принципу. В случае систем CRISPR III типа ситуация оказывается еще сложнее, поскольку к узнаванию чужеродной РНК способны только те спейсеры, которые при встраивании в ДНК клетки были ориентированы определенным образом. Для других типов систем CRISPR-Cas такого требования нет. Нам хотелось понять, как системе III типа удается успешно приобретать спейсеры, способные обеспечить эффективную защиту хозяйской клетки».

Исследователи вырастили клетки T. thermophilus в лабораторных условиях и инфицировали их бактериофагом, выделенным ранее из горячего источника на Камчатке, а затем наблюдали за появлением новых спейсеров типа III в инфицированных бактериях. Ученые показали, что все новые спейсеры были получены из крошечной области генома бактериофага, который первым попадает в инфицированную клетку бактерии.

Вероятно, инфицированной клетке удается избавиться от инфекции и выжить благодаря тому, что она распознает угрозу уже на ранней стадии, а не потому, что система CRISPR III типа обладает особым внутренним механизмом, который выбирает спейсеры неслучайным образом. В результате, 50 процентов приобретенных спейсеров имеют неправильную ориентацию, а значит, не могут обеспечить защиту клетки. Исследователи предполагают, что та область фагового генома, из которого поступают спейсеры, может кодировать белки анти-CRISPR, поэтому для клетки жизненно важно, чтобы защита сработала до того, как она будет нейтрализована.

Ученые также показали, что некоторым фагам удалось уцелеть под воздействием защиты CRISPR-Cas III типа, но ради этого им пришлось пожертвовать мелкими фрагментами ДНК из целевых областей генома. «Тот факт, что мы можем выявлять выжившие фаги, которые удаляют области, распознаваемые защитными CRISPR РНК, означает, что мы можем легко создавать мутанты фагов, направляя на них специально сконструированные CRISPR РНК, распознающие интересующие нас области генома, − объясняет Константин Северинов.

– Если учесть, что нам очень мало известно о вирусах, инфицирующих термофильные бактерии, наши результаты открывают возможности для исследования этих вирусов с помощью сконструированных CRISPR РНК и определения функций отдельных генов вирусов». Исследование было поддержано грантами Российского научного фонда (РНФ). В работе принимали участие специалисты Института молекулярной генетики РАН, Института микробиологии Ваксмана при Ратгерском университете (США) и Государственного университета Нью-Джерси (США). 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.
Вчера, 12:05
Илья Ведмеденко

Короткий ролик показывает модель летательного аппарата неизвестного типа. Некоторые обозреватели полагают, что она имеет отношение к программе NGAD, направленной на разработку истребителя шестого поколения. Ранее стало известно о начале испытаний его демонстратора.

Позавчера, 11:44
Илья Ведмеденко

Видео демонстрирует концепцию, известную как Rapid Dragon. Крылатые ракеты сбросили из самолетов C-17 и EC-130: предполагается, что это позволит повысить ударную мощь США.

Вчера, 17:26
Мария Азарова

Оманские спелеологи, наконец, спустились на дно загадочного «Адского колодца» на востоке Йемена — бархута, которого избегают многие местные жители, так как уверены, что там живут джинны.

Позавчера, 11:44
Илья Ведмеденко

Видео демонстрирует концепцию, известную как Rapid Dragon. Крылатые ракеты сбросили из самолетов C-17 и EC-130: предполагается, что это позволит повысить ударную мощь США.

Вчера, 12:05
Илья Ведмеденко

Короткий ролик показывает модель летательного аппарата неизвестного типа. Некоторые обозреватели полагают, что она имеет отношение к программе NGAD, направленной на разработку истребителя шестого поколения. Ранее стало известно о начале испытаний его демонстратора.

21 сентября
Василий Парфенов

Следует признать: амбициозные планы Илона Маска по освоению Марса столкнулись с суровой реальностью американской бюрократии раньше, чем предполагалось. Не успела его компания SpaceX начать тестирование системы из ускорителя Super Heavy и космического корабля Starship, как регуляторные органы высказали свое «фи». Первый орбитальный запуск исполинской ракеты никак не получит соответствующих разрешений, но наконец-то появилась надежда на положительный исход экологической оценки. Правда, космодром в Бока-Чика должен принять кое-какие расширенные меры по защите окружающей среды.

3 сентября
Алиса Гаджиева

Два бронзовых тарана и свинцовые пули обнаружили на месте битвы при Эгатских островах, состоявшейся почти 23 века назад.

11 сентября
Алиса Гаджиева

Необычное погребение обнаружили во время работ по устройству пруда в гольф-клубе.

15 сентября
Ольга Иванова

Американские исследователи выяснили, что в женских тампонах содержатся летучие органические соединения, которые влияют на присутствие этих веществ в моче. Интересно, что в прокладках их содержание значительно ниже.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: