Белок антифаговой защиты бактерии распознает сразу два неродственных фаговых белка

Обычно рецепторы распознавания паттернов у млекопитающих — компоненты врожденного иммунитета — способны узнавать только один вид белков либо родственные друг другу белки. До сих пор считалось, что белки, важные для иммунитета бактерий, работают по тому же принципу. Теперь же ученые из США и Бельгии описали белок антифаговой защиты бактерий, который может, используя один и тот же домен, распознавать два фаговых белка, не родственных друг другу и несходных по структуре.

CapRel^SJ46 — белок антифаговой защиты кишечной палочки, который представляет собой систему токсин–антитоксин в виде одного белка. N-концевой домен этой молекулы — токсин, а C-концевой — антитоксин. В норме C-концевой домен связан с N-концевым, таким образом, антитоксин подавляет действие токсина. Но когда бактерию инфицирует фаг SECΦ27, с C-концевым доменом CapRel^SJ46 связывается белок капсида фага MCP, в результате высвобождается домен-токсин. Он может пирофосфорилировать тРНК, что подавляет трансляцию белка в бактериальной клетке и таким образом мешает размножению фага.

Так как MCP — один из основных компонентов фага, в нем редко появляются крупные мутации, что делает эту систему защиты весьма надежной. Но другие фаги, похожие на SECΦ27, могут скрыться от такой системы, если структура их MCP немного отличается. Например, у родственного SECΦ27 фага Bas4 в этом белке изменена всего одна аминокислота, что помогает ему ускользать от иммунитета. Однако бактерии не отстают в этой «гонке вооружений»: присутствие такого фага может привести к мутациям в CapRel^SJ46, благодаря которым белок сможет распознавать и этот MCP.

Исследователи предположили, что в теории такой белок может научиться распознавать и совершенно новый фаговый белок. Они заражали кишечную палочку панелью фагов, родственных SECΦ27, и обнаружили, что CapRel^SJ46 препятствует распространению одного из них — Bas11. Далее ученые получили спонтанных мутантов Bas11, которые научились обходить защиту кишечной палочки. Ни у одного из них мутации не затрагивали MCP, а располагались в гене 54, который кодирует небольшой белок (66 аминокислот) Gp54^Bas11. Он не похож на MCP фага SECΦ27 по своей последовательности.

Тогда ученые заподозрили, что фаговый белок Gp54^Bas11 может связываться с доменом-антитоксином белка CapRel^SJ46 и таким образом запускать систему антифаговой защиты. Они подтвердили это в экспериментах in vitro. При этом Gp54 Bas11 может связываться только с белком CapRel^SJ46кишечной палочки, но не с его гомологом — CapRel^Ebc из Enterobacter chengduensis и не с их химерой.

 Активация CapRel^SJ46. В инфицированной клетке синтезируются MCP и Gp54, связываются с доменом-антитоксином CapRel^SJ46, активированный домен-токсин CapRel^SJ46 присоединяет пирофосфат (PPi) к тРНК и тем самым ингибирует трансляцию и тормозит репликацию вируса.

Используя ПЦР сниженной точности, ученые внесли мутации в белок CapRel^SJ46 и отобрали те мутантные формы, которые больше не могли связываться с Gp54^Bas11. Анализ мутаций показал, что в связывании этих белков важную роль играет альфа-спираль α9 в белке CapRel^SJ46.

Чтобы охарактеризовать это взаимодействие подробнее, ученые получили кристаллическую структуру белка Gp54^Bas11 отдельно и в комплексе с CapRel^SJ46. Оказалось, что Gp54^Bas11 представляет собой β-бочонок из шести цепей, между двумя из которых образуется петля, — такая структура в природе встречается очень редко и не похожа на MCP. В комплексе с Gp54^Bas11 белок CapRel^SJ46 находится в активированном состоянии: с его доменом-токсином связана молекула АТФ. Фаговый белок Gp54^Bas11 же связывается с псевдо-цинковым пальцем домена-антитоксина. При этом Gp54^Bas11 меняет топологию и развертывается: его β-цепи образуют вместе с β-цепями CapRel^SJ46 гибридный β-лист из восьми цепей. Исследователи отметили, что белок CapRel^SJ46 задействует одни и те же структурные элементы для распознавания обоих белков, несмотря на различия между ними.

Ученые решили проверить, могут ли гомологи Gp54 из других фагов — SECΦ27, Bas5, Bas8 и Bas10 — тоже связываться с CapRel^SJ46. Эти фаги родственны друг другу, и их MCP похожи настолько, что CapRel^SJ46 может распознавать их и таким образом защищаться от этих фагов. Белки Gp54 у этих фагов тоже очень похожи: например, у Bas10 и Bas11 они различаются всего тремя аминокислотами. Но ни один из гомологов Gp54 этих фагов не мог связываться с CapRel^SJ46.

При этом фаг Bas11 содержит оба белка, которые могут активировать CapRel^SJ46, — Gp54^Bas11 и MCP, идентичный тому же белку фага Bas10. Ученые предположили, что кишечная палочка «научилась» распознавать второй белок тем же доменом как раз для того, чтобы фаг не смог обойти ее защиту. Эту гипотезу проверили экспериментально и получили фаги SECΦ27, в которых присутствует или только MCP, или еще и Gp54^Bas11. В норме для активации CapRel^SJ46 достаточно только MCP, но замены одной аминокислоты хватает, чтобы «скрыться» от иммунной системы бактерии. Тогда CapRel^SJ46 начинает связывать Gp54^Bas11. и пока фаг не мутировал и этот белок, антифаговая защита работает.

Таким образом, ученые охарактеризовали систему бактериального иммунитета, которая может распознавать два различных фаговых белка. В теории это может быть опасно для самой бактерии — если в самой бактерии найдутся белки, распознаваемые доменом-антитоксином, это вызовет реакцию, похожую на аутоиммунную. Однако у фаговых белков, которые могут связываться с антитоксином CapRel^SJ46, нет никаких гомологов в бактериальном геноме. В результате бактерия приобретает значительное преимущество в «гонке вооружений».

Фаг нейтрализует защитную систему бактерии-хозяина с помощью гена тРНК