Новую систему иммунной защиты бактерий открыли сотрудники биологического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова вместе с коллегами из Института биологии гена РАН, ФИЦ Биотехнологии и американского Университета штата Пенсильвания. При активации обнаруженного механизма особые белки внутри микроорганизма собираются в длинные нитевидные структуры — филаменты, запуская уничтожение зараженной клетки и предотвращая распространение инфекции среди остальных бактерий. Новое знание открывает дополнительные возможности в области антимикробной терапии и генетических исследований. Результаты исследования были представлены в журнале Nature Communications.

В новой работе речь идет о так называемых белках-Аргонавтах. Эти соединения присутствуют в клетках как прокариот, так и эукариот. Они участвуют в иммунной защите организмов, разрушая проникший извне чужеродный генетический материал. Большинство прокариотических белков-Аргонавтов (pAgo) распознают «вражеские» ДНК-мишени.

Во время исследования ученые обнаружили ранее неизвестную группу белков pAgo. Они образуют комплексы с нуклеазами1 HNH-семейства и выполняют очень примечательную функцию. Сталкиваясь с чужеродной ДНК (например, вирусной), эти белки не воздействуют на нее самостоятельно, а вместо этого активируют связанную с ними нуклеазу. А та, в свою очередь, запускает разрушение в клетке ДНК — причем не только «вражеской», но и собственной. Таким образом, источник угрозы уничтожается вместе с зараженным организмом.

Особый интерес представляет механизм действия комплексов белков pAgo и HNH-нуклеазы — они работают «сообща». Когда в бактериальной клетке оказывается чужеродная ДНК, эти комплексы полимеризуются, собираясь в спиральные филаменты с регулярной структурой. Эти защитные образования обвивают ДНК в клетке и расщепляют ее. Изучить ранее неизвестный механизм помог метод криоэлектронной микроскопии.

Проведенное исследование подарило ученым принципиально новые знания о системах иммунной защиты прокариот, их многообразии и сложности. Проект получил поддержку Российского научного фонда.

О значении работы корреспонденту «Научной России» рассказал ученый-микробиолог, член-корреспондент РАН Сергей Владимирович Сидоренко — руководитель научно-исследовательского отдела медицинской микробиологии и геномики микроорганизмов Федерального научно-клинического центра инфекционных болезней ФМБА России, профессор кафедры медицинской микробиологии Северо-Западного государственного медицинского университета им. И.И. Мечникова, главный внештатный специалист-микробиолог Комитета здравоохранения Санкт-Петербурга.

«Для того чтобы оценить опубликованное открытие, нужно вернуться назад во времени, на начальный этап эволюции, — объяснил С.В. Сидоренко. — Много миллиардов лет назад живые существа в основном были одноклеточными и очень тесно взаимодействовали друг другом, обмениваясь генетической информацией. Этот процесс был крайне важен для генерации разнообразия, чтобы обеспечить эволюцию соответствующим материалом. Но на более поздних этапах живым существам понадобилось стабилизировать свой геном. Дело в том, что, хотя иногда организмам могут быть нужны новые дополнительные гены, в целом появление чужеродной генетической информации в большинстве случаев приносит вред — например, когда вирус заражает клетку человека или растения. Поэтому у более высокоорганизованных существ начали интенсивно вырабатываться системы защиты. Но при этом такие защитные механизмы, включая иммунитет человека, строились на тех же базовых принципах, которые существовали еще на ранних этапах эволюции. Тогда во взаимодействии между отдельными клетками наблюдался баланс между инвазией, симбиозом и защитой от вторжения. Белки-Аргонавты, которые мы можем наблюдать сегодня, — это “потомки” древних белков, [участвовавших в этих процессах]. И в настоящее время эти белки играют очень весомую роль в жизни как бактерий, так и человека».

Руководитель научно-исследовательского отдела медицинской микробиологии и геномики микроорганизмов ФНКЦИБ ФМБА России, профессор кафедры медицинской микробиологии СЗГМУ им. И.И. Мечникова, член-корреспондент РАН Сергей Владимирович Сидоренко. Фото: Елена Либрик / «Научная Россия» 

В перспективе открытие может помочь в борьбе с проблемой антибиотикорезистентности.

«У бактерий процесс обмена генетической информацией остался приблизительно на том же уровне, на котором был миллиарды лет назад у самых ранних живых существ. По-прежнему существует баланс между способностью вирусов-бактериофагов и плазмид2 внедряться в бактерии и возможностями микроорганизмов противостоять этому. С одной стороны, бактериям необходим обмен генетической информацией — например, чтобы поддерживать устойчивость к антибиотикам, им нужно получать новые плазмиды, включающие гены с этим свойством. С другой стороны, если таких плазмид станет слишком много, это начнет вредить микроорганизму, — подчеркнул С.В. Сидоренко. — Для чего эти знания нужны человеку? Дело в том, что для борьбы с антибиотикорезистентностью уже давно предлагается воздействовать на процессы эволюции, например найти механизмы, которые могли бы тормозить обмен нежелательными для человека плазмидами — теми, что несут гены устойчивости к препаратам».

Ключ к этим возможностям — понимание того, как устроены механизмы иммунной защиты бактерий. Как отметил С.В. Сидоренко, они очень разнообразны.

«Белки-Аргонавты — далеко не единственный пример. Например, последние годы очень активно изучается система CRISPR. В целом у бактерий очень много систем иммунной защиты. Но, что важно, они не всегда эффективны, — отметил С.В. Сидоренко. — Пока нам в полной мере недоступно понимание фундаментальных основ баланса между случаями, когда бактерии воспринимают чужеродную генетическую информацию и когда они блокируют ее. Но именно эти знания могут помочь нам найти противоэволюционные препараты, способные тормозить обмен между бактериями нежелательной для человека генетической информацией — например, кодирующей устойчивость к антибиотикам, повышенную вирулентность или иные опасные свойства. И выявление новых тормозящих систем в иммунной защите микроорганизмов — это очень важный шаг в данном направлении. Хотя, конечно, нужно подчеркнуть, что между сделанным сегодня фундаментальным открытием и его внедрением в практику может пройти достаточно много времени».

Еще одна область, где могут оказать пользу новые знания, — биотехнологии, а именно геномное редактирование для борьбы с генетически обусловленными заболеваниями.

«Это открытие — очередной “кирпичик” на пути к цели, — заключил Сергей Владимирович Сидоренко. — Нельзя сказать, что прямо сейчас оно перевернет все мироздание, но именно из таких “кирпичиков” и строится наш будущий успех».

¹Нуклеазы — ферменты, участвующие в расщеплении молекул нуклеиновых кислот (ДНК или РНК).

²Плазмиды — особые генетические структуры, которые могут передаваться между микроорганизмами.