Исследование показывает существование ранее неизвестных механизмов иммунной защиты у бактерий

        

До десятилетия назад ученые не знали, что бактерии имеют сложные иммунные системы – те, которые могут идти в ногу с темпом эволюции вирусов, называемых фагами, которые заражают бактерии. Это изменилось с открытием того, что сейчас является самым известным бактериальным иммунным механизмом: CRISPR. Ученые поняли, что CRISPR является естественным редактором генов, и он произвел революцию в мире биологических исследований в тысячах лабораторий по всему миру. Исследователи теперь понимают, что большинство микроорганизмов обладают сложными иммунными системами, из которых CRISPR – всего лишь один элемент, но не было хорошего способа идентифицировать эти системы.

Теперь, в массивном, систематическом исследовании, проф. Ротем Сорек и его команда из Института наук Вейцмана обнаружили существование 10 ранее неизвестных механизмов иммунной защиты у бактерий. «Системы, которые мы обнаружили, в отличие от всего, что мы видели раньше, – говорит профессор Сорек. «Но среди них, по нашему мнению, есть один или два, которые могут иметь потенциал для увеличения инструментария для редактирования генов, а другие, которые указывают на происхождение иммунной системы человека». Результаты их исследования были недавно опубликованы в Science .

Бактерии не могут полагаться только на CRISPR в войне против фагов, объясняет профессор Сорек, член Департамента молекулярной генетики Института. Действительно, у многих фагов есть «анти-CRISPR» белки, которые отменяют активность CRISPR, предполагая, что другие системы занимают слабину. Профессор Сорек и его команда начали поиск этих систем, создав компьютерную программу, которая будет сканировать все геномы бактерий, которые когда-либо были секвенированы, – всего около 50 000 геномов. Вместо поиска последовательностей с предопределенными характеристиками, алгоритмы, которые они создали, искали «статистические подписи» генов, вовлеченных в защиту, например, их местоположение на «островах обороны», где рядом друг с другом обнаружены несколько связанных с защитой генов. Затем, поскольку гены иммунной системы редко работают в одиночку – даже у бактерий – исследователи разработали сложные компьютерные аналитические методы, чтобы понять, какие гены объединяют силы и работают вместе, чтобы сформировать систему защиты.

Как только они сузили возможные гены защиты от миллионов до нескольких сотен, исследователям необходимо было проверить механизмы кандидатов, которые они идентифицировали. Вместо того, чтобы пытаться изолировать генетические последовательности от сотен различных бактерий, команда обратилась к синтетической биологии: получение генов, сделанных на заказ. Они отправили строки кода генов – всего около 400 000 баз или «букв» генетического кода – в коммерческую лабораторию, где для тестирования были синтезированы десятки различных многогенных систем. Эти синтетические системы были введены в лабораторные бактерии, у которых была естественная иммунная система. Затем бактерии подвергались воздействию фагов и других инфекционных элементов, чтобы проверить, является ли пересаженная система защиты жизнеспособной. Из различных систем, исследованных исследователями, 10 сильно защищали лабораторные бактерии от инфекции, тем самым идентифицируя их как новые системы иммунной защиты.

проф. Сорек говорит, что между различными этапами компьютерного анализа и экспериментов исследование потребовало интенсивных усилий шести человек, работающих в течение двух лет в своей лаборатории. Исследование проводилось доктором Шани Дороном и Сарой Меламед с интенсивным участием Гала Офира, д-ра Азиты Ливитт, Анны Лопатиной и доктора Гила Амитаи. Команда собралась на любую другую неделю для «совета обороны», чтобы обсудить различные вооружения исследований и механизмы защиты, которые они обнаружили.

Исследователи до сих пор не знают, как функционируют новые иммунные системы бактерий, а некоторые, по словам профессора Сорека, «кажутся неожиданными функциями, которые мы сейчас начинаем исследовать». Одна из этих систем содержит домены-интерлейкиновый рецептор (или TIR). Известно, что домены TIR участвуют в иммунных системах, но до сих пор не иммунные системы микроорганизмов. Эти домены являются неотъемлемой частью иммунной системы человека и даже растений, но они никогда раньше не были показаны бактериями для участия в антивирусной защите. «Наши результаты показывают, что некоторые из важных частей нашей собственной иммунной системы имеют глубокие эволюционные корни в механизмах бактериального иммунитета», – говорит профессор Сорек

Другие гены, казалось, были «заимствованы» из не защитных бактериальных систем. Одна из них, например, известна из жгутиков, которую используют бактерии для плавания. Эти гены обеспечивают жгутику энергией, позволяя им принимать протоны; одна из новых систем защиты, найденная в лаборатории профессора Сорека, использует эти гены в своей защите от фагов. Другой, называемый конденсином, обычно защищает ДНК во время деления клеток, и исследователи обнаружили систему защиты, которая использует компоненты механизма конденсирования для защиты бактерий от вторжения в плазмиды – крошечные кольца ДНК, которые могут паразитировать бактериальные клетки.

«Тот факт, что нам удалось найти 10 новых систем защиты от бактерий, означает, что их еще больше», – говорит профессор Сорек. «Моя лаборатория продолжает искать новые. Кроме того, мы начинаем фокусироваться на нескольких наиболее перспективных, чтобы понять, как они функционируют».

проф. Сорек говорит, что новые открытия являются захватывающими из-за новых окон, которые они оказывают на эволюцию иммунных систем, и вечной битвы между вирусами и организмами, которые они заражают. Но он также считает, что некоторые могут оказаться мощными инструментами для биологических исследований. «Каждой иммунной системе, по определению, нужно ориентировать вторгающиеся элементы очень конкретным, но гибким способом, и мы можем использовать этот таргетинг для биотехнологических целей – как мы это делали с CRISPR и с рестрикционными ферментами до этого», – говорит профессор Сорек , «Любая из новых систем, которые мы обнаружили, может быть следующим инструментом редактирования генов – или, возможно, даже основой еще более захватывающих молекулярных инструментов».

Источник:

https://wis-wander.weizmann.ac.il/life-sciences/bacterial-immune-systems-take-stage

      

Source link