О защитной системе PARIS
Бактериофаги (фаги) — это вирусы, которые паразитируют на бактериях. Если фаг заражает клетку, то эта клетка вскоре разрушается, и из нее наружу выходят десятки, сотни или даже тысячи новых вирионов, и каждый из них снова готов повторить акт насилия над бактерией.
Можно было бы сказать, что бактериофаги — это заклятые враги бактерий, но описанный выше сценарий реализуется далеко не во всех случаях. Существуют так называемые “умеренные” бактериофаги, которые, заразив клетку, не всегда ее убивают - они могут встроить свою ДНК в клеточный геном и таким образом размножаться вместе с клеткой. В такой ситуации бактериофаг находится с клеткой заодно, и умеренные бактериофаги, которые дают зараженным клеткам преимущества в выживании, будут активнее распространяться в популяции.
Но что полезного может дать клетке бактериофаг, который встроился в клеточный геном? Некоторые умеренные бактериофаги кодируют компоненты иммунных систем, которые защищают клетки от инфекции другими бактериофагами. Защитная система PARIS, которую исследуют в нашей лаборатории, как раз таки кодируется некоторыми бактериофагами.
В 2022 году ученые из лаборатории Давида Бикарда исследовали геномы бактериофагов, родственных фагу P2 и его сателлиту P4 [1]. Вообще говоря, геномная организация бактериофагов достаточно консервативна и сохраняется даже у фагов, которые приходятся друг другу далекими родственниками. Можно ожидать, что геномы всех P2- и P4-подобных вирусов, заражающие E. coli, будут очень похожи друг на друга. Так и оказалось - состав и порядок генов в геномах родственных бактериофагов был очень схожим, за исключением одного гипервариабельного участка. В этом участке были закодированы гены, относящиеся к уже известным защитным системам, а также ряд генов, функция которых еще не была охарактеризована, и которые потенциально могут кодировать новые защитные системы.
Можно было бы сказать, что бактериофаги — это заклятые враги бактерий, но описанный выше сценарий реализуется далеко не во всех случаях. Существуют так называемые “умеренные” бактериофаги, которые, заразив клетку, не всегда ее убивают - они могут встроить свою ДНК в клеточный геном и таким образом размножаться вместе с клеткой. В такой ситуации бактериофаг находится с клеткой заодно, и умеренные бактериофаги, которые дают зараженным клеткам преимущества в выживании, будут активнее распространяться в популяции.
Но что полезного может дать клетке бактериофаг, который встроился в клеточный геном? Некоторые умеренные бактериофаги кодируют компоненты иммунных систем, которые защищают клетки от инфекции другими бактериофагами. Защитная система PARIS, которую исследуют в нашей лаборатории, как раз таки кодируется некоторыми бактериофагами.
В 2022 году ученые из лаборатории Давида Бикарда исследовали геномы бактериофагов, родственных фагу P2 и его сателлиту P4 [1]. Вообще говоря, геномная организация бактериофагов достаточно консервативна и сохраняется даже у фагов, которые приходятся друг другу далекими родственниками. Можно ожидать, что геномы всех P2- и P4-подобных вирусов, заражающие E. coli, будут очень похожи друг на друга. Так и оказалось - состав и порядок генов в геномах родственных бактериофагов был очень схожим, за исключением одного гипервариабельного участка. В этом участке были закодированы гены, относящиеся к уже известным защитным системам, а также ряд генов, функция которых еще не была охарактеризована, и которые потенциально могут кодировать новые защитные системы.
Геномные локусы из гипервариабельных участков перенесли на плазмидные векторы, внедрили в клетки E. coli и проверили, дают ли такие плазмиды устойчивость к инфекции фагами. Так был обнаружен кластер генов, кодирующих новую иммунную систему. Эта система защищала от ряда бактериофагов, в том числе от бактериофага T7. Были обнаружены и мутации, которые позволяют фагу T7 уклоняться от действия новооткрытой защитной системы - оказалось, что это мутация в гене ocr, который кодирует ДНК-мимикрирующий белок, ингибирующий системы рестрикции-модификации.
Поскольку новооткрытая защитная система реагирует на присутствие в клетке антирестрикционного белка, ее назвали Phage Anti-Restriction-Induced System (PARIS). Предполагается, что эта система работает по абортивному механизму - если клетку с системой PARIS заражает бактериофаг, кодирующий антирестрикционный белок, то иммунная система убивает клетку вместе с бактериофагом, подавляя распространение фага в популяции. Но как именно действует система PARIS - как она подавляет развитие фага, и каким образом она распознает присутствие вирусных белков в клетке?
Система PARIS состоит из двух генов - ariA и ariB. Ген ariA кодирует белок с АТФазным доменом, а ген ariB - белок с нуклеазным доменом, и можно предположить, что именно AriB работает как эффектор, подавляя клеточные процессы за счет расщепления нуклеиновых кислот. Но какие именно нуклеиновые кислоты может расщеплять этот белок в клетке?
Ответ на этот вопрос удалось получить отчасти в результате счастливой случайности. Сотрудники лаборатории Д. Бикарда поделились с нами конструкциями, кодирующими систему PARIS, и мы протестировали эту систему уже в нашей лаборатории. Оказалось, что в московской лаборатории эта система защищает клетки от инфекции фагом T5, в то время как в парижской лаборатории та же самая система никакого иммунитета против T5 не дает. Секвенирование московских и парижских фагов T5 показало, что у московского варианта T5 отсутствует большой геномный локус, кодирующий, в числе прочего, кластер генов тРНК.
С помощью клонирования фрагментов фагового генома удалось установить, что для избегания иммунного ответа PARIS фагу T5 требуется всего лишь один фрагмент, кодирующий лизиновую тРНК. Дальнейшие эксперименты показали, что система PARIS при активации расщепляет клеточную лизиновую тРНК. Бактериофаг T5 дикого типа кодирует свою собственную лизиновую тРНК, которая способна участвовать в процессе трансляции, но при этом не расщепляется системой PARIS, и это позволяет ему обходить эффект этой иммунной системы.
Конечно же, раз система PARIS может защищать клетки от инфекции московским вариантом T5, то у этого фага должны быть антирестрикционные белки. Таковые действительно нашлись - это два гена, которые мы назвали Ptr1 и Ptr2 (Paris TRigger).
Бактериофаги довольно часто кодируют отдельные гены тРНК или даже целые кластеры таких генов, и, вероятно, эти тРНК могут использоваться для нарушения работы иммунных систем, расщепляющих тРНК [2].
В новой работе [3] наши сотрудники вместе с исследователями из США, Франции и Швеции методом криоэлектронной микроскопии разрешили структуру комплекса AriA и AriB и исследовали взаимодействие этого комплекса с белком Ocr. Белок AriA действительно служит сенсором, и при связывании высвобождает AriB, который формирует активные димеры, расщепляющие тРНК. Как ни странно, сам по себе белок AriB не токсичен для клетки при экспрессии - видимо, активация этого белка в составе комплекса сопровождается какими-то сложными конформационными перестройками.
Такие вот дела.
Текст подготовил Матвей Колесник
Система PARIS состоит из двух генов - ariA и ariB. Ген ariA кодирует белок с АТФазным доменом, а ген ariB - белок с нуклеазным доменом, и можно предположить, что именно AriB работает как эффектор, подавляя клеточные процессы за счет расщепления нуклеиновых кислот. Но какие именно нуклеиновые кислоты может расщеплять этот белок в клетке?
Ответ на этот вопрос удалось получить отчасти в результате счастливой случайности. Сотрудники лаборатории Д. Бикарда поделились с нами конструкциями, кодирующими систему PARIS, и мы протестировали эту систему уже в нашей лаборатории. Оказалось, что в московской лаборатории эта система защищает клетки от инфекции фагом T5, в то время как в парижской лаборатории та же самая система никакого иммунитета против T5 не дает. Секвенирование московских и парижских фагов T5 показало, что у московского варианта T5 отсутствует большой геномный локус, кодирующий, в числе прочего, кластер генов тРНК.
С помощью клонирования фрагментов фагового генома удалось установить, что для избегания иммунного ответа PARIS фагу T5 требуется всего лишь один фрагмент, кодирующий лизиновую тРНК. Дальнейшие эксперименты показали, что система PARIS при активации расщепляет клеточную лизиновую тРНК. Бактериофаг T5 дикого типа кодирует свою собственную лизиновую тРНК, которая способна участвовать в процессе трансляции, но при этом не расщепляется системой PARIS, и это позволяет ему обходить эффект этой иммунной системы.
Конечно же, раз система PARIS может защищать клетки от инфекции московским вариантом T5, то у этого фага должны быть антирестрикционные белки. Таковые действительно нашлись - это два гена, которые мы назвали Ptr1 и Ptr2 (Paris TRigger).
Бактериофаги довольно часто кодируют отдельные гены тРНК или даже целые кластеры таких генов, и, вероятно, эти тРНК могут использоваться для нарушения работы иммунных систем, расщепляющих тРНК [2].
В новой работе [3] наши сотрудники вместе с исследователями из США, Франции и Швеции методом криоэлектронной микроскопии разрешили структуру комплекса AriA и AriB и исследовали взаимодействие этого комплекса с белком Ocr. Белок AriA действительно служит сенсором, и при связывании высвобождает AriB, который формирует активные димеры, расщепляющие тРНК. Как ни странно, сам по себе белок AriB не токсичен для клетки при экспрессии - видимо, активация этого белка в составе комплекса сопровождается какими-то сложными конформационными перестройками.
Такие вот дела.
Текст подготовил Матвей Колесник
Литература
- F. Rousset, F. Depardieu, S. Miele, J. Dowding, A.-L. Laval, E. Lieberman, D. Garry, E.P.C. Rocha, A. Bernheim, D. Bikard, Phages and their satellites encode hotspots of antiviral systems, Cell Host & Microbe 30 (2022) 740-753.e5. https://doi.org/10.1016/j.chom.2022.02.018.
- D.F. Van Den Berg, B.A. Van Der Steen, A.R. Costa, S.J. Brouns, Phage tRNAs evade tRNA-targeting host defenses through anticodon loop mutations, eLife 12 (2023) e85183. https://doi.org/10.7554/eLife.85183.
- https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.01.02.573894v2