Ученые выяснили, что плазмидная ДНК бактерий может подавлять иммунитет

Системы рестрикции-модификации у бактерий отвечают за защиту клетки от чужеродного генетического материала, например, бактериофагов и плазмид. Иммунные системы требуют строгой регуляции, поскольку у бактерий, как и у человека, возможны аутоиммунные реакции — атака на собственную ДНК. Группа ученых во главе с руководителем Лаборатории анализа метагеномов в Сколтехе Артемом Исаевым изучила одну из первых открытых систем иммунитета у бактерий EcoKI и установила, что наличие в клетке плазмидной ДНК приводит к активации встроенной программы подавления иммунитета. Этот эффект возникает, когда в клетку попадают обладающие особыми свойствами плазмиды, которые начинают конфликтовать с внутриклеточным иммунитетом. Результаты работы опубликованы в журнале Nucleic Acids Research. 

«Открытие оказалось для нас совершенно неожиданным. Мы изучали белок, который должен был ингибировать систему EcoKI, но данные никак не сходились. Тогда мы подумали: а не может ли оказаться, что сама плазмидная ДНК подавляет бактериальный иммунитет? Оказалось, что наличие плазмиды, которая обладает специальными элементами, сайтами для распознавания нуклеазы EcoKI системы, привлекало EcoKI нуклеазу на плазмидную ДНК, что запускало программу деградации этого белка, — рассказал руководитель работы Артем Исаев. — В норме эта программа нужна, чтобы защитить клетку от случайной атаки нуклеазы на бактериальную хромосому, но оказалась, что плазмидная ДНК настолько активно привлекает на себя EcoKI нуклеазу, что это полностью отключает бактериальный иммунитет».

Он отметил, что для самой плазмиды это тоже плохо, так как клетка становится чувствительна к заражению фагами. Поэтому исследователи считают, что подобный конфликт возникает непреднамеренно и отражает сложность биологических механизмов, которые не всегда согласованы друг с другом.

Результаты работы также внесли вклад в понимание процессов внутриклеточной рекомбинации — процесса, в котором одна молекула ДНК может обмениваться фрагментами со своей копией внутри клетки. Когда в бактериальном геноме происходит разрыв в ДНК, то чтобы его устранить, клетка использует генетическую рекомбинацию, с помощью которой она находит похожую цепь ДНК. Этот процесс также требует наличия специальной последовательности, называемой Chi-сайтом. Если же этот сайт удалить, то двухцепочечный разрыв может привести к полной деградации поврежденной ДНК плазмиды.

Ученые отмечают, что в особых условиях, даже если удалить компоненты клетки, отвечающие за основной путь рекомбинации (белки RecBCD и RecA), возможно наблюдать ослабление рестрикции. Это говорит о том, что в бактериальной клетке существуют еще не изученные альтернативные пути рекомбинации ДНК, и новая модельная система поможет изучить эти механизмы.

Исследование поддержано грантами РНФ № 22-14-00004 «Поиск и характеристика новых систем бактериального иммунитета и вирусных анти-рестрикционных белков» и № 24-14-00181 «Выявление эко-географических факторов, определяющих функциональный состав и структуру природных микробных сообществ», а также грантом Министерства науки и высшего образования Российской Федерации № 075-10-2021-114 «Атлас микробных сообществ Российской Федерации».

Источник: АНОО ВО «Сколковский институт науки и технологий»