В Сколтехе 24-26 февраля прошел Интенсив по биоинформатике "Анализ геномных вариантов у бактерий".
На интенсиве участники исследовали данные секвенирования, которые сотрудники нашей лаборатории получили в ходе работы над одним из научных проектов. Этот проект посвящен исследованию CRISPR-Cas систем гипертермофильных бактерий Thermus thermophilus. В природе эти бактерии обитают в горячих (60-80 ℃) источниках - в России, к примеру, такие источники встречаются на Камчатке, и наша лаборатория несколько раз отправляла туда экспедиции для сбора образцов, из которых потом мы выделяли бактерий Thermus и вирусы, которые этих бактерий заражают.
Жизнь у этих бактерий непростая: помимо того, что они вынуждены приспосабливаться к экстремальным условиям среды, в которой они обитают, их еще атакуют самые разные генетические паразиты - бактериофаги, транспозоны, интегративно-конъюгативные элементы. Для защиты от этих паразитов бактерии Thermus кодируют большой арсенал защитных систем: например, в геноме штамма T.thermophilus HB27, помимо систем рестрикции-модификации, токсин-антитоксиновых локусов и прокариотических аргонавтов закодированы целых четыре CRISPR-Cas системы.
Бактерии T. thermophilus содержат CRISPR-Cas системы типа III - одни из наиболее сложно устроенных защитных систем прокариот (Kolesnik et al., 2021). Эти системы специфически распознают и расщепляют молекулы РНК, но при этом они защищают клетки от бактериофагов с ДНК-геномами и от ДНК-плазмид, задействуя сложный сигнальный путь, приводящий к активации дополнительных компонентов иммунитета. Эти системы очень эффективны - к примеру, если клетка приобретает спейсер (короткую нуклеотидную последовательность в составе CRISPR-кассеты), нацеленный на транскрипт бактериофага, то способность этих клеток противостоять инфекции возрастает в десятки тысяч раз (Artamonova et al., 2020). Каким же образом бактериофагам и плазмидам удается избежать вымирания?
Бактерии T. thermophilus содержат CRISPR-Cas системы типа III - одни из наиболее сложно устроенных защитных систем прокариот (Kolesnik et al., 2021). Эти системы специфически распознают и расщепляют молекулы РНК, но при этом они защищают клетки от бактериофагов с ДНК-геномами и от ДНК-плазмид, задействуя сложный сигнальный путь, приводящий к активации дополнительных компонентов иммунитета. Эти системы очень эффективны - к примеру, если клетка приобретает спейсер (короткую нуклеотидную последовательность в составе CRISPR-кассеты), нацеленный на транскрипт бактериофага, то способность этих клеток противостоять инфекции возрастает в десятки тысяч раз (Artamonova et al., 2020). Каким же образом бактериофагам и плазмидам удается избежать вымирания?
Чтобы выяснить, как мобильным элементам удается ускользнуть от иммунного ответа CRISPR-Cas систем, мы провели эксперимент. Мы внедрили в клетки T. thermophilus плазмиду, которая содержит ген устойчивости к антибиотику и которая атакуется CRISPR-Cas системой. В теории такие клетки вообще не должны формировать колонии на среде, содержащей антибиотик - ведь они все должны уничтожать попавшую в них плазмиду. Действительно, в наших экспериментах наличие иммунного ответа количество выросших плазмид уменьшается в тысячи раз - но, тем не менее, некоторое количество колоний вырастает. Чтобы понять, что же произошло в таких клетках, мы отобрали несколько колоний, выделили из клеток ДНК и секвенировали на платформах Illumina и Oxford Nanopore.
На интенсиве мы анализировали полученные данные секвенирования. Мы обнаружили два типа мутаций, которые позволяют избежать иммунного ответа. Первый тип - это короткие делеции (выпадения нуклеотидов), приводящие к инактивации (сбою рамки считывания) в одном из ключевых компонентов CRISPR-Cas системы. Второй тип мутаций оказался необычнее: выяснилось, что некоторые клетки потеряли огромные участки генома, кодирующие весь локус с cas-генами. После сборки геномов из длинных прочтений Oxford Nanopore выяснилось, что эти огромные делеции возникают в результате рекомбинации между CRISPR-кассетами - при этом образуется новая, гибридная CRISPR-кассета. Мы предполагаем, что такой процесс может происходить и в природе, и что клетки таким образом могут избавляться от ненужных спейсеров, и сейчас анализируем это явление подробнее.
Мы были очень рады видеть на нашем мероприятии так много заинтересованных участников. Мы несколько не соотнесли количество людей и мощность нашего сервера, так что он подвис на одной из стадий, но в остальном все прошло хорошо!
Альбом с фотографиями можно посмотреть здесь
Альбом с фотографиями можно посмотреть здесь
