Ученые выявили механизмы «обмана» вирусами бактерий
Белки семейства ArdA помогают вирусам проникнуть в бактериальную клетку, приняв образ ее ДНК. Проведя фундаментальные исследования, ученые Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ и НИЦ «Курчатовский институт» показали, что такие белки не только подавляют защиту бактериальных клеток, но и регулируют целый ряд других клеточных процессов. Результаты исследования заложили основу для будущих прикладных работ в области генной терапии. Статья с результатами работы опубликована в журнале Heliyon.
Плазмиды, бактериофаги, а также транспозоны (мобильные генетические элементы) способны переносить различные гены, в том числе гены устойчивости к антибиотикам, между бактериальными клетками. Однако многие из превносимых генов представляют угрозу для самих бактерий, и в ответ бактерии сформировали защитные системы с использованием рестриктаз, разрезающих чужеродные ДНК. Изучение процесса преодоления защитных барьеров бактерий необходимо для разработки новых лекарств, которые естественным образом смогут ограничивать размножение бактерий в организме. Кроме того, белки, имитирующие ДНК, интересно изучать с точки зрения разработок генной терапии для таргетной регуляции кандидатных генов.
«Белки антирестриктазы интересны с точки зрения возможности контроля передачи и распространения генов. Антирестрикционные белки вырабатываются в бактериальных вирусах (бактериофагах) или в других мобильных генетических элементах. Именно они облегчают путешествие белков от одной бактерии к другой. У каждой бактерии есть разнообразные системы защиты от инвазии чужеродной ДНК, например системы рестрикции-модификации, которые должны бороться с бактериофаговой инвазией. В свою очередь, у бактериофагов есть системы антирестрикции, призванные бороться с системой рестрикции-модификации. Одному из белков антирестрикции ArdA посвящена наша работа. Мы показали, что, кроме возможности контроля передачи и распространения генов между бактериями, эти белки перспективны еще и как геннотерапевтические агенты», — рассказала об исследовании Анна Кудрявцева, старший научный сотрудник лаборатории молекулярной генетики МФТИ.
Белок ArdA мимикрирует под молекулу ДНК с отрицательными поверхностными зарядами, имитирующими фосфатные группы. Защитная система рестрикции-модификации связывается с белком ArdA вместо ДНК, в то время как настоящая инвазивная ДНК бактериофага (или другого мобильного генетического элемента) остается нетронутой.
«Есть целый класс антирестрикционных белков, которые изображают из себя ДНК бактерий, обманывают защитную систему и помогают вирусу выполнить свою основную функцию — поместить в бактерию свою злую ДНК или РНК и размножиться. Чем для нас интересны белки ArdA? Наша группа впервые нашла этот белок в бактериальной хромосоме, и мы задали себе вопрос, как он там оказался. Поместив этот белок в модельный объект кишечной палочки, мы изучили, как внедрение ArdA влияет на регуляцию других генов в бактериях. Мы увидели, какие в этом процессе гены запускаются, начинают включаться или выключаться. Кроме того, мы сравнили два белка ArdA, запустив в кишечную палочку один новый, а другой хорошо известный, и оказалось, что ответ бактерии для каждого гостя выглядит очень по-разному, что натолкнуло нас на мысль, что белки изображают совершенно разные участки ДНК и тем самым могут регулировать вполне конкретные процессы в клетке», — продолжила Анна Кудрявцева.
Этой работой ученые расширили знание об Ard-белках и наглядно показали, что гены, способные подавлять защиту бактерий, существуют не только в плазмидах, но и в самих бактериальных хромосомах и, более того, участвуют в регуляции других бактериальных генов.
«Мы полагаем, что ген ArdA мог произойти от мобильных генетических элементов, но это происхождение представляется весьма древним. Это подтверждается наличием того же гена у других видов в той же геномной области. Тот факт, что этот ген сохраняется в бактериальных хромосомах в течение длительного периода, предполагает его полезность для бактерий. Следовательно, он, вероятно, выполняет другую функцию в бактериальных хромосомах по сравнению с его ролью в мобильных генетических элементах. Такие долговечность и сохранение в бактериальных геномах указывают на его значение в бактериальной биологии», — заключил Илья Манухов, заведующий лабораторией молекулярной генетики МФТИ.
Открытие ученых является основой для дальнейших исследований в области терапии, так как ДНК-мимикрирующие белки могут способствовать регулированию экспрессии генов в любых клетках.