Война бактерий с вирусами

Обновлено: 22.04.2024

Попадая в бактериальную клетку, фаги, как и положено вирусам, влияют на все процессы ее жизнедеятельности, фактически превращая клетку в фабрику по производству вирусного потомства. В конце концов клетка бактерии гибнет и разрушается, а вновь образованные вирусные частицы выходят наружу, чтобы найти себе новую жертву. А теперь представьте, что речь идет о бактерии, патогенной для человека или сельскохозяйственных животных и культурных растений. Как говорят, враги наших врагов… Даже в желудочно-кишечном тракте человека содержится около 10 12 вирусов-бактериофагов, а это говорит о многом.

Тем не менее базовые технологии генетической инженерии родились благодаря прикладным исследованиям в интересах молочной промышленности. Дело в том, что вирусные атаки на бактерий, использующихся при производстве сыра, йогурта и других кисломолочных продуктов, приносили ощутимые экономические потери, что потребовало создания устойчивых к бактериофагам штаммов.

На сегодня известны пять основных, весьма хитроумных механизмов защиты, которые либо препятствуют проникновению вирусной ДНК, либо уничтожают ее внутри бактериальной клетки.

Все системы адаптивного иммунитета CRISPR-Cas действуют по одному принципу, хотя могут отличаться в деталях. Основой для разработки технологии редактирования генома послужила простая и относительная компактная система с единственным большим белком Cas9, который в одиночку справляется со всеми задачами. Только в случае геномного редактирования активный комплекс включает участок, соответствующий уже не вирусной ДНК, а целевому гену (например, с мутацией). Разрыв, который образуется в клеточной ДНК, можно использовать для исправления нежелательной мутации либо встраивания трансгена.

Системы CRISPR-Cas, позволившие манипулировать хромосомной ДНК непосредственно в живых клетках, стали основой революционной биотехнологии, с помощью которой можно не только создавать новые породы и сорта сельскохозяйственных животных и растений, но и, в недалеком будущем, лечить наследственные заболевания человека. Так изучение стратегий борьбы бактерий с бактериофагами, несмотря на свою кажущуюся фундаментальность, принесло неоценимую пользу человечеству.

ТАСС, 28 апреля. Биологи выяснили, с чьей помощью некоторые вирусы-бактериофаги блокируют систему BREX, которая защищает микробов от их атак. Об этом пишет пресс-служба Сколковского института науки и технологий со ссылкой на статью в научном журнале Nucleic Acid Research.

Возбудителя туберкулеза обучили душить себя по команде. Ученые нашли уязвимость в биохимии палочки Коха, которую можно использовать против самого патогена. Следующий шаг — придумать лекарство на этом механизме

"Пять лет назад мы знали, что бактерии могут защищаться от вирусов с помощью RM-систем, CRISPR-системы и токсин-антитоксиновых систем. В последние годы с помощью методов биоинформатики было предсказано, что они – лишь малая часть огромного многообразия защитных механизмов. BREX стала первой среди новых предсказанных систем, защитное действие которой было показано в экспериментах", – прокомментировал один из авторов работы, аспирант Сколковского института науки и технологий Артем Исаев.

От болезней и инфекций страдают не только люди и другие многоклеточные, но и одноклеточные микробы. Вирусы, как предполагают ученые, появились почти одновременно с бактериями, и между ними уже несколько сотен миллионов лет идет беспрерывная война на выживание.

Ее последствия можно увидеть фактически везде. К примеру, в каждом миллилитре речной или морской воды живут несколько сот миллионов бактериофагов – вирусов, которые специализируются на заражении микробов. Их носителями могут быть до 70% ныне живущих бактерий.

За миллионы лет эволюции вирусы постепенно научились обходить защитные системы микробов. К примеру, бактерии разработали своеобразный генетический "антивирус", систему CRISPR-Cas9, которая находит следы вирусной ДНК в геноме микроба, вырезает ее или заставляет бактерию самоуничтожиться для того, чтобы защитить своих соседей от инфекции. Бактериофаги, в свою очередь, научились подавлять работу CRISPR-Cas9, что открыло новый виток этой биологической "гонки вооружений".

Борьба вирусов и антивирусов

Исаев и его коллеги изучали работу еще одной системы подобного рода – BREX, которая, по текущим оценкам ученых, есть в геноме примерно каждого десятого микроба на Земле. Ученые пока не знают, как именно она работает, однако они предполагают, что та похожа на другой "антивирус" – систему RM, которая распознает чужеродную ДНК по отсутствию определенных меток на одной или двух ее спиралях.

Руководствуясь этой идеей, Исаев и его коллеги предположили, что некоторые вирусные белки, которые задействованы в нейтрализации RM-системы, могут играть важную роль в подавлении BREX внутри вирусов, на которые этот бактериальный "антивирус" не действует. Ученые проверили, так ли это на самом деле, удалив из генома хорошо изученного бактериофага T7 один из генов, которые отвечает за синтез белка Ocr. Этот белок – один из главных компонентов системы защиты вируса от бактериального "антивируса".

Эти опыты подтвердили, что подобное изменение "обезоружило" вирус, не дав ему подавлять работу как RM-системы, так и BREX. Как предполагают ученые, это связано с тем, что обе эти формы бактериального "антивируса" для того, чтобы наносить специальные метки на ДНК самого микроба, которые позволяют отличить ее от чужеродных фрагментов генетического кода, используют фермент BrxX. Работу этого фермента блокирует Ocr.

Почему нейтрализация BrxX не приводит к самоуничтожению бактерий, ученым еще предстоит выяснить.

"История борьбы бактерий с фагами насчитывает миллиарды лет. Эта непрекращающаяся "гонка вооружений" является одной из основных движущих сил эволюции в мире микроорганизмов. Обе стороны накопили богатый арсенал стратегий борьбы друг с другом. Лично мне интересно узнать, какие еще тайны хранит в себе геном и какие новые механизмы мы сможем открыть, изучить и применить в будущем", – подытожил Исаев.

ТАСС, 16 декабря. Наблюдения за здоровьем 44 тысяч британцев, страдавших от острых респираторных инфекций, раскрыли закономерность - заражение гриппом резко снижает вероятность подхватить простуду и наоборот. Возможные причины этого были отражены в публикации в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

"Мы предполагаем, что респираторные вирусы сражаются за ресурсы примерно так же, как это делают африканские гиены и львы. Они могут делать это как напрямую, проникая в одни и те же клетки, так и благодаря тому, что особенности в реакции иммунитета на появление одного вируса будет мешать второму попадать в организм", - прокомментировала Сема Никбакш, вирусолог из Университета Глазго (Великобритания).

Вирусы гриппа и простуды имеют несколько общих черт в характере их распространения и эволюции. В частности, они поражают человека и животных примерно в одно и то же время года и от них не существует вакцин и лекарств. И тот, и другой быстро мутируют, порождая тысячи новых вариаций вирусов каждый сезон.

В последние годы ученые активно изучают характер развития и секреты работы и того, и другого патогена, пытаясь найти те части вируса, которые бы почти не менялись в процессе эволюции и были крайне важны для размножения. Один подобный сегмент был найден в генетическом коде вируса гриппа. Его атакует "Балоксавир" - лекарство, подавляющее гриппозную инфекцию в значительном числе случаев, отмечается в журнале.

Никбакш и ее коллеги открыли еще одну связь между гриппом и простудой, анализируя данные, которые собирали здравоохранительные службы двух крупных шотландских городов, Глазго и Клайда, на протяжении последних девяти лет.

Борьба за выживание

Ученые заинтересовались двумя вещами - какие респираторные вирусы были больше всего распространены в разные месяцы года и как эпидемия, порожденная одним из них, может влиять на распространение других патогенов. Помимо гриппа и простуды в этот список вошли девять других распространенных вирусов, поражающих органы дыхания человека.

Анализ медицинских данных раскрыл несколько закономерностей. В частности, ученые выяснили, что если взять все вирусные инфекции, то окажется, что вирусы одинаково часто поражают человека во все времена года, а не только зимой или осенью. Кроме того, вирусологи обнаружили тренд, указывавший на то, что активность вирусов простуды и гриппа была связана между собой. Он выражался в том, что число заражений простудой резко снижалось во времена эпидемий гриппа, и наоборот - вспышки простуды "мешали" гриппу поражать новых жертв.

В частности, гриппозные больные на 70% реже страдали от простуды, чем носители других острых респираторных инфекций или прочие пациенты британских клиник, и наоборот - заражение простудой уменьшало вероятность подхватить грипп на сопоставимые величины. Как именно вирусы подавляют друг друга, ученые пока не знают.

В ближайшее время команда Никбакш планирует исследовать, как именно это происходит, наблюдая за тем, как оба вируса пытаются одновременно проникнуть в организм подопытных животных. Это не только раскроет механизмы конкуренции между инфекциями, но и поможет понять, как можно использовать эпидемии гриппа или простуды для предсказания вспышек их "конкурента", заключают авторы статьи.

Бактериофаги – это вирусы, которые поражают только бактерий. В ходе инфекции они влияют на все процессы жизнедеятельности бактериальной клетки, фактически превращая ее в фабрику по производству вирусного потомства. В конце концов клетка разрушается, а вновь образованные вирусные частицы выходят наружу и могут заражать новые бактерии.

Несмотря на огромное число и разнообразие природных фагов, встречаемся мы с ними редко. Однако бывают ситуации, когда деятельность этих вирусов не остается незамеченной. Например, на предприятиях, где производят сыры, йогурты и другие молочно-кислые продукты, часто приходится сталкиваться с вирусной атакой на бактерии, сбраживающие молоко. В большинстве таких случаев фаговая инфекция распространяется молниеносно, и полезные бактерии гибнут, что приводит к значительным экономическим потерям (Neve et al., 1994).

Именно благодаря прикладным исследованиям в интересах молочной промышленности, направленным на получение устойчивых к бактериофагам штаммов молочно-кислых бактерий, был открыт ряд механизмов, с помощью которых бактерии избегают инфекции. Параллельно были изучены способы, с помощью которых вирусы, в свою очередь, преодолевают бактериальные системы защиты (Moineau et al., 1993).

Кто защищен – тот вооружен

На сегодня известно пять основных, весьма хитроумных механизмов защиты, которые бактерии выработали в непрестанной борьбе с вирусами: изменение рецептора на поверхности клетки; исключение суперинфекции; системы абортивной инфекции; системы рестрикции-модификации и, наконец, системы CRISPR-Cas.

К средствам противовирусной защиты бактерий относятся и системы рестрикции-модификации, в которые входят гены, кодирующие два белка-фермента – рестриктазу и метилазу. Рестриктаза узнает определенные последовательности ДНК длиной 4—6 нуклеотидов и вносит в них двуцепочечные разрывы. Метилаза, напротив, ковалентно модифицирует эти последовательности, добавляя к отдельным нуклеотидным основаниям метильные группы, что предотвращает их узнавание рестриктазой.

Врага нужно знать в лицо

Системы CRISPR-Cas являются уникальным примером адаптивного иммунитета бактерий. При проникновении в клетку ДНК фага специальные белки Cas встраивают фрагменты вирусной ДНК длиной 25—40 нуклеотидов в определенный участок генома бактерии (Barrangou et al., 2007). Такие фрагменты называются спейсерами (от англ. spacer – промежуток), участок, где происходит встраивание, – CRISPR-кассета (от англ. Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats), а сам процесс приобретения спейсеров – адаптацией.

Чтобы использовать спейсеры в борьбе с фаговой инфекцией, в клетке должен происходить еще один процесс, управляемый белками Cas, названный интерференцией. Суть его в том, что в ходе транскрипции CRISPR-кассеты образуется длинная молекула РНК, которая разрезается белками Cas на короткие фрагменты – защитные криспрРНК (крРНК), каждая из которых содержит один спейсер. Белки Cas вместе с молекулой крРНК образуют эффекторный комплекс, который сканирует всю ДНК клетки на наличие последовательностей, идентичных спейсеру (протоспейсеров). Найденные протоспейсеры расщепляются белками Cas (Westra et al., 2012; Jinek et al., 2012).

Системы CRISPR-Cas обнаружены у большинства прокариот – бактерий и архей. Хотя общий принцип действия всех известных систем CRISPR-Cas одинаков, механизмы их работы могут существенно отличаться в деталях. Наибольшие различия проявляются в строении и функционировании эффекторного комплекса, в связи с чем системы CRISPR-Cas делят на несколько типов. На сегодняшний день описаны шесть типов таких неродственных друг другу систем (Makarova et al., 2015; Shmakov et al., 2015).

Наиболее изученной является система CRISPR-Cas I типа, которой обладает излюбленный объект молекулярно-биологических исследований – бактерия кишечная палочка (Esсherichia coli). Эффекторный комплекс в этой системе состоит из нескольких небольших белков Cas, каждый из которых отвечает за разные функции: разрезание длинной некодирующей CRISPR РНК, связывание коротких крРНК, поиск, а затем разрезание ДНК-мишени.

Гонка вооружений

Бактериофаги, как факторы среды, вызывают направленные изменения в геноме бактерий, которые наследуются и дают бактериям явное преимущество, спасая от повторных инфекций. Поэтому системы CRISPR-Cas можно считать примером ламарковской эволюции, при которой происходит наследование благоприобретенных признаков (Koonin et al., 2009)

Некоторые бактериофаги реагируют на наличие в бактериальной клетке систем CRISPR-Cas выработкой особых анти CRISPR-белков, способных связываться с белками Cas и блокировать их функции (Bondy-Denomy et al., 2015). Еще одно ухищрение — обмен участков генома вируса, на которые нацелена система CRISPR-Cas, на участки геномов родственных вирусов, отличающихся по составу нуклеотидной последовательности (Paez-Espino et al., 2015).

Благодаря постоянному совершенствованию биоинформатических алгоритмов поиска, а также включению в анализ все большего количества прокариотических геномов, открытие новых типов CRISPR-Cas систем является делом недалекого будущего. Предстоит также выяснить и детальные механизмы работы многих недавно открытых систем. Так, в статье, опубликованной в 2016 г. в журнале Science и посвященной анализу системы CRISPR-Cas VI типа, описан белок С2с2, образующий эффекторный комплекс с крРНК, который нацелен на деградацию не ДНК, а РНК (Abudayyeh et al., 2016). В будущем такое необычное свойство может быть использовано в медицине для регулирования активности генов путем изменения количества кодируемых ими РНК.

Изучение стратегий борьбы бактерий с бактериофагами, несмотря на свою кажущуюся фундаментальность и отвлеченность от задач практической медицины, принесло неоценимую пользу человечеству. Примерами этого могут служить методы молекулярного клонирования и редактирования геномов – направленного внесения или удаления мутаций и изменения уровня транскрипции определенных генов.

Благодаря быстрому развитию методов молекулярной биологии всего лишь через несколько лет после открытия механизма действия систем CRISPR-Cas была создана работающая технология геномного редактирования, способная бороться с болезнями, ранее считавшимися неизлечимыми. Доступность и простота этой технологии позволяют рассматривать ее как основу для медицины, ветеринарии, сельского хозяйства и биотехнологий будущего, которые будут базироваться на направленных и безопасных генных модификациях.

Нет никаких сомнений, что дальнейшее изучение взаимодействия бактерий и их вирусов может открыть перед нами такие возможности, о которых мы сейчас даже не подозреваем.

Abudayyeh O. O., Gootenberg J. S., Konermann S. et al. C 2c2 is a single-component programmable RNA-guided RNA-targeting CRISPR effector // Science. 2016. V. 353: aaf5573.

Barrangou R., Fremaux C., Deveau H. et al. CRISPR provides acquired resistance against viruses in prokaryotes // Science. 2007. V. 315. P. 1709–1712.

Bikard D., Marraffini L. A. Innate and adaptive immunity in bacteria: mechanisms of programmed genetic variation to fight bacteriophages // Curr. Opin. Immunol. 2012. V. 1 P. 15–20.

Bondy-Denomy J., Garcia B., Strum S. et al. Multiple mechanisms for CRISPR-Cas inhibition by anti-CRISPR proteins // Nature. 2015. V. 526. P. 136–139.

Calendar R., Abedon S. T. The Bacteriophages // 2nd Ed., Oxford University Press. 2006.

Datsenko K. A., Pougach K., Tikhonov A. et al. Molecular memory of prior infections activates the CRISPR/Cas adaptive bacterial immunity system // Nat. Commun. 2012. V. 3. P. 945

Jiang W., Marraffini L. A. CRISPR-Cas: New Tools for Genetic Manipulations from Bacterial Immunity Systems // Annu. Rev. Microbiol. 2015. V. 69. P. 209–28.

Jinek M., Chylinski K., Fonfara I., et al. A programmable dual-RNA-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity // Science. 2012. V. 337. P. 816–821.

Koonin E. V., Wolf Y. I. Is evolution Darwinian or/and Lamarckian? // Biol. Direct. 2009. V. 4. P. 42.

Lopez-Pascua L., Buckling A. Increasing productivity accelerates host-parasite coevolution // J. Evol. Biol. 2008. V. 3. P. 853–860.

Makarova K. S., Wolf Y. I., et al. An updated evolutionary classification of CRISPR-Cas systems // Nat. Rev. Microbiol. 2015. V. 11. P. 722–736.

Moineau, S., Pandian S., Klaenhammer T. R. Restriction/modification systems and restriction endonucleases are more effective on lactococcal bacteriophages that have emerged recently in the dairy industry // Appl. Envir. Microbiol. 1993. V. 59. P. 197–202.

Neve H., Kemper U., et al. Monitoring and characterization of lactococcal bacteriophage in a dairy plant // Kiel. Milckwirtsch. Forschungsber. 1994. V. 46. P. 167–178.

Nuñez J. K., Harrington L. B., et al. Foreign DNA capture during CRISPR-Cas adaptive immunity // Nature. 2015a. V. 527. P. 535–538.

Nuñez J. K., Kranzusch P. J., et al. Cas1-Cas2 complex formation mediates spacer acquisition during CRISPR-Cas adaptive immunity // Nat. Struct. Mol. Biol. 2014. V. 21. P. 528–534.

Nuñez J. K., Lee A. S., Engelman A., Doudna J. A. Integrase-mediated spacer acquisition during CRISPR-Cas adaptive immunity // Nature. 2015b. V. 519. P. 193–198.

Paez-Espino D., Sharon I., et al. CRISPR Immunity Drives Rapid Phage Genome Evolution in Streptococcus thermophilus // MBio. 2015. V. 6: e00262–15.

Shmakov S., Abudayyeh O. O., Makarova K. S., et al. Discovery and Functional Characterization of Diverse Class 2 CRISPR-Cas Systems. // Mol. Cell. 2015. V. 60. P. 385–397

Tan D., Svenningsen S. L., Middelboe M. Quorum sensing determines the choice of antiphage defense strategy in Vibrio anguillarum. // mBio 2015. V. 6: e00627–15.

Westra E. R., van Erp P. B., Künne T., et al. CRISPR immunity relies on the consecutive binding and degradation of negatively supercoiled invader DNA by Cascade and Cas3 // Mol. Cell. 2012. V. 46. P. 595–605.

Читайте также: