Набутий імунітет у бактерій може бути пов'язаний з механізмами РНК-інтерференції • Олена Наймарк • Новини науки на "Елементи" • Генетика, Мікробіологія, Молекулярна біологія

Набутий імунітет у бактерій може бути пов'язаний з механізмами РНК-інтерференції

Пристрій бактеріофагів щодо одноманітно – істотно більш різноманітні відносини між фагами і бактеріями. Вони представляють цілий спектр: від комменсализма до вбивчого паразитизму. І кожен тип відносин оформляється особливими біохімічними засобами. Фото з сайту mansfield.osu.edu

Європейські вчені розшифрували один з етапів роботи імунної системи CRISPR у бактерій. Хоча ця система і широко поширена серед бактерій і архей, її компоненти в багатьох випадках виявлялися високоспеціфічнимі. Крім того, ферменти, що беруть участь в оформленні імунної відповіді, були ніяк не пов'язані з іншими ділянками бактеріального метаболізму. Тепер вчені показали, що на одному з необхідних етапів роботи CRISPR бактерії використовують, по-перше, універсальний фермент РНКаз, а по-друге, поширений у еукаріот механізм підготовки імунної відповіді, схожий з РНК-інтерференцією. Таким чином, з'явилася можливість більш змістовно інтерпретувати походження і еволюцію імунітету у бактерій.

Вчені все грунтовніше занурюються в мікро- або навіть наножізнь, відкриваючи все нові механізми її функціонування.Кожен раз, обдумуючи обговорюване дослідження, не перестаєш дивуватися повноті, різноманіттю і впорядкованості устрою життя на те, недоступному повсякденному сприйняттю, рівні. Тим часом завдання, що стоять перед організмами будь-якого масштабного рівня, більш-менш загальні – різниться лише інструментарій.

Іноді для виконання того чи іншого завдання використовується універсальний набір інструментів, якими володіють самі різні клітини або які годяться для багатьох завдань. Але частіше використовується строго специфічний набір для конкретного завдання. На рівні клітинних завдань в якості інструментів використовуються різні метаболічні шляхи і пов'язані з ними ферменти. Знаходження універсальних клітинних інструментів завжди велика удача. Якщо такі знаходяться, то можна міркувати про їх походження та еволюції, про важливість розв'язуваних з їх допомогою завдань і т. Д. Якщо ж інструмент специфічний і націлений на конкретну функцію у конкретної клітини, про його походження важко укласти щось певне.

Нове дослідження, представлене європейськими биохимиками з університетів Умео (Швеція), Відня (Австрія) і Вюрцбурга (Німеччина), пов'язане з обговоренням саме таких універсальних інструментів клітини.Дослідження присвячене розшифровці роботи CRISPR-системи, яка покликана забезпечувати захист від інфекції.

CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats) – це особливі ділянки геномів бактерій і архей, зайняті захистом від вірусних та плазмідних атак і виробленням імунітету. "Елементи" уже зверталися до цієї теми (див. Бактерії успадковують набутий імунітет, 21.01.2010), тому лише коротко підсумовуємо базові положення. CRISPR-касета являє собою ділянку генома, на якому поміщаються, по-перше, короткі паліндромний послідовності, по-друге, шматочки послідовності вірусної ДНК / РНК, так звані спейсери, по-третє – серія специфічних білків-нуклеаз, іменованих "Cas-білки "(CRISPR associated proteins). Спейсери і паліндроми строго чергуються, і цей ланцюжок, власне, і називається CRISPR.

При проникненні вірусу в клітину ділянку його ДНК / РНК копіюється і вставляється в геном бактерії. Вставка цього нового спейсера відбувається за участю Cas-білків. Нащадки такої клітини будуть нести в своєму геномі даний вірусний спейсер. Ділянка генома, що несе вставлений спейсер, буде нормально зчитуватися і виробляти в кінцевому підсумку короткі РНК, що включають паліндром і цей спейсер.Якщо вірус знову потрапить в клітку, то за допомогою отриманої короткою РНК відбудеться розпізнавання чужорідного комплементарного фрагмента ДНК (або РНК), і клітина знищить нуклеотидную ланцюжок паразита. Послідовність CRISPR постійно добудовується в міру інфікування новими вірусами, а спейсери, які довгий час не використовувалися, мутують, виходять з ужитку і зникають з ланцюжка. Це свого роду динамічна система набутого імунітету, що зупиняє інфекцію на рівні транскрипції і, таким чином, забезпечує стійкість клітин до вірусних інфекцій.

Сама задача, яку вирішує система CRISPR, – універсальна, а схема її рішення логічно чітка, тому, здавалося б, і інструменти для її виконання повинні бути майже однаковими у прокаріот. Але в дійсності вчені поки не можуть похвалитися розшифровкою базових принципів роботи CRISPR. Так, лекція Ірени Артамонової, присвячена CRISPR, була названа "Адаптивний імунітет прокариот, заснований на crispr-системах: багато питань і мало відповідей". Один з важливих питань пов'язаний з філогенієй Cas-білків. Вважається, що вони обслуговують всі операції і придбання нових спейсеров і їх успішне функціонування.Число Cas-білків в касеті дуже різниться у різних бактерій і архей: воно варіює від 20 до 4. Вони можуть бути подібними за складом у різних сімейств бактерій, а у інших бактерій відрізнятися навіть в межах одного штаму. Це говорить про те, що ніякі з білків Cas або їх окремі домени не можуть претендувати на звання універсального інструменту CRISPR-імунітету. Можливо, ніякого універсального інструменту і немає, і бактерії кожен раз винаходять щось, відповідне нагоди. Але також можливо, що шукати слід іншим способом і в іншому місці.

Європейська команда досліджувала CRISPR систему у бактерії Streptococcus pyogenes. У цій бактерії два CRISPR-комплекту, один з яких знаходиться, мабуть, в неробочому стані. Робочий, судячи з послідовностей спейсеров, спрямований на захист від лізогенних (помірних) фагів. У робочій касеті крім палиндромов і спейсеров є ще 4 гена Cas-білків. Всі вони залучені тільки в процес роботи CRISPR. Первинне зчитування призводить до появи ланцюжків РНК з 511 нуклеотидів. Це так званий попередник crispr-РНК, який іменується pre-crРНК. Потім ця довга РНК нарізається на потрібні фрагменти "паліндром-спейсер", так звані crРНК, які, власне,і займаються розпізнаванням фагових послідовностей. Іншими словами, відбувається процес дозрівання – перетворення первинного транскрипту в робочі фрагменти crРНК.

Механізм РНК-інтерференції: дволанцюжкова РНК розпізнається ендонуклеази Dicer і розрізається на короткі 25-нуклеотидні фрагменти siRNA. Антисмислового ланцюжок приєднується до комплексу RISC, і вони разом знаходять комплементарную мРНК. Упізнаних таким чином мРНК розрізається на шматки і деградує. Схема з сайту nobelprize.org

Однак, як з'ясувалося, при зчитуванні pre-crРНК з CRISPR-касети з'являється ще одна коротка РНК, перш невідома учасниця CRISPR імунітету. Її послідовність розташована на протилежному ланцюжку ДНК трохи попереду самої касети. Ця РНК в ході дозрівання теж нарізається певним чином. Вчені назвали її буквально "проти-активована crРНК" (trans-activating CRISPR RNA або, коротко, tracrRNA). Вона і стала головною героїнею їх наукового сюжету.

Основна особливість виявленої tracrRNA – це наявність ділянки з 25 нуклеотидів, який комплементарний всім паліндромним повторам CRISPR. Це означає, що tracrRNA зв'язуються з повторами, та цей процес чомусь необхідний для утворення робочих crРНК. Підтвердити цю гіпотезу вдалося, створивши бактерій, мутантних в області tracrRNA.У таких бактерій дозрівання crРНК не відбувалося. Якщо ж до таких збитковим бактеріям додати нормальну tracrRNA, то процес дозрівання поновлювався, продукуючи нормальні crРНК. Очевидно, що tracrRNA, спаріваясь з паліндромами, утворює дволанцюжкові фрагменти РНК, кінці якої так чи інакше визначають межі майбутніх crРНК.

І тут, природно, не можна не згадати, як відбувається процес РНК-інтерференції у еукаріот. Дволанцюжкова вірусна РНК розпізнається ферментом Dicer, розрізається на фрагменти з 25 нуклеотидів, подвійний ланцюг фрагмента розплітається на одноцепочечниє РНК. Потім одна з ниток – антисмислового siРНК (siRNA) – прикріплюється до комплексу RISC. Ця конструкція знаходить чужорідні матричні РНК з ділянкою, комплементарних провідною siРНК. Парування двох ниток активізує фермент, розрізає чужорідну матричну РНК на шматки. Фермент Dicer пізнає тільки дволанцюжкові РНК, і хоча РНК вірусів може складатися і з одного ланцюжка, все одно в їх життєвому циклі обов'язково є дволанцюжкова фаза.

В нашій CRISPR-системі теж організовується дволанцюжкова РНК з 24 нуклеотидів, але за рахунок накладення tracrRNA, яка є у запасливих Streptococcus pyogenes. Потім цей дволанцюжкові комплект повинен бути пізнаний ендонуклеази. Ферменту Dicer у бактерій немає – що ж служить його бактеріальним аналогом? Виявилося, що його роль виконує бактеріальна РНКаза III. Допомагає їй один з Cas-білків – білок Csn1. Він заякорюють tracrRNA на довгій pre-crРНК, дозволяючи ендонуклеази включитися в роботу. РНКаза III дуже консервативна, не має специфічної зв'язку з CRISPR-системою і бере участь у багатьох процесах, зокрема забезпечує дозрівання рибосомальної РНК. Тут же цей фермент включився в оборонні заходи проти фагів. Так що риси універсального інструменту, можливо, слід шукати не серед Cas-білків, а аналізуючи загальні риси РНК інтерференції і CRISPR захисту, а також серед інших інструментів для роботи з РНК.

Схема участі необхідних компонентів в роботі CRISPR. Спочатку зчитується попередник pre-crRNA (верхня лінія: чорні – повтори, зелені – спейсери); разом з ним зчитуються c протилежної нитки tracrRNA. До місця подій підтягується РНКаза III і Csn1. Csn1 сприяє парування tracrRNA з повторами CRISPR, потім РНКаза III дізнається короткі дволанцюжкові фрагменти і розрізає в конкретному місці дволанцюжкові комплекс на фрагменти "повтор-спейсер-повтор".На другому ступені дозрівання створюються робочі фрагменти crРНК з 39-42 нуклеотидів; механізм цієї другого ступеня поки невідомий, тому на схемі стоять питання. Схема з обговорюваної статті вNature

Таким чином, для успішної підготовки імунного захисту бактерії необхідні tracrRNA, РНКаза III і Csn1. Два з них – tracrRNA і Csn1 – відносяться до CRISPR системі, а один – неспецифічний фермент для роботи з РНК. tracrRNA разом з Csn1 знайшлися ще у п'яти видів бактерій, але поки через нестачу даних важко визначити їх реальну поширеність серед бактерій.

джерело: Elitza Deltcheva, Krzysztof Chylinski, Cynthia M. Sharma, Karine Gonzales, Yanjie Chao, Zaid A. Pirzada, Maria R. Eckert, Jörg Vogel, Emmanuelle Charpentier. CRISPR RNA maturation by trans-encoded small RNA and host factor RNase III // Nature. 2011. V. 471, P. 602-607.

Олена Наймарк


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: