Российские исследователи разобрались в действии новой иммунной системы бактерий, основанной на работе малоизученных белков из семейства аргонавтов. Система, которую ученые назвали SPARDA, помогает бактериям защищаться от вирусов, вызывая гибель инфицированных клеток вместе с вирусом. Эта система основана на принципиально новом механизме деградации нуклеиновых кислот за счет дополнительных белков, ассоциированных с белком-аргонавтом, а не за счет активности самого аргонавта. О своих результатах исследователи рассказали в статье, опубликованной в Nature Microbiology.
Работу необычных белков-аргонавтов изучили ученые Института биологии гена РАН под руководством члена-корреспондента РАН А.В. Кульбачинского при участии сотрудников лаборатории белок-белковых взаимодействий ФИЦ Биотехнологии РАН.
«И знаменитая система CRISPR-Cas, и прокариотические белки-аргонавты обнаруживают и расщепляют чужеродные нуклеиновые кислоты – ДНК, в которой закодирована генетическая информация, или РНК, которая является «копией» ДНК и посредником при синтезе белка. Узнавание «чужой» нуклеиновой кислоты происходит за счет коротких цепочек нуклеиновых кислот-«гидов», помогающих распознать нужные участки. Белки-аргонавты или белки Cas, если мы говорим о системе CRISPR-Cas, разрезают мишени ДНК или РНК, так как обладают нуклеазной активностью. Однако такую активность проявляют не все прокариотические аргонавты. Представители недавно обнаруженной большой группы так называемых «коротких» аргонавтов связывают нуклеиновые кислоты-гиды, но имеют иной механизм действия», – поясняет руководитель исследования.
Ученые исследовали короткие прокариотические аргонавты, которые кодируются в геномах совместно с предполагаемой «эффекторной» нуклеазой (то есть, белком, способным разрезать нуклеиновые кислоты), из разных видов бактерий. Было обнаружено, что короткие аргонавты образуют комплекс с эффекторной нуклеазой, который получил название SPARDA – short prokaryotic Argonaute, DNase and RNase associated, что переводится как «короткий прокариотический аргонавт, ассоциированный с ДНКазой и РНКазой». Этот комплекс состоит из двух разных цепочек аминокислот – самого короткого аргонавта и прочно ассоциированной с ним нуклеазы. Такой вывод биологи смогли подтвердить с помощью многоуглового измерения светорассеяния при хроматографическом разделении частиц по размерам (метод SEC-MALS) на установке miniDAWN (Wyatt Technology), которая входит в состав ЦКП «Промышленные биотехнологии» ФИЦ Биотехнологии РАН.
Ученые выяснили, что распознавание ДНК-мишени при помощи «гида» запускает нуклеазную активность SPARDA, что приводит к неизбирательному расщеплению клеточной ДНК. Такая активность не только останавливает развитие фаговой вирусной инфекции в клетках бактерий, но и может быть использована в биоинженерии и медицине для детекции целевых молекул ДНК (например, при диагностике инфекций).
«SPARDA может активироваться плазмидами (так называют небольшие кольцевые бактериальные ДНК) или фагами – вирусами, поражающими бактериальные клетки. Это приводит к деградации клеточной, плазмидной и вирусной ДНК и гибели клеток или их переходу в состояние покоя. Гибель инфицированных клеток останавливает развитие инфекции, обеспечивая защиту остальной части популяции от вируса. Эта работа расширяет спектр известных иммунных систем бактерий и предлагает новые пути их применения в генетических технологиях», – заключает руководитель исследования.
Работа поддержана грантом Российского научного фонда.