Гигантские бактериофаги формируют ядерную оболочку, чтобы защитить свой геном

Бактерии развили множество защитных механизмов против заражающих их вирусов-бактериофагов. К таким механизмам относятся, например, системы рестрикции-модификации и CRISPR-Cas, нацеленные на геномы фагов. В ответ на это одно семейство крупных бактериофагов формирует оболочку, похожую на ядро, для защиты своих реплицирующихся геномов. Строение и состав этого ядра были неизвестны.

С помощью криоэлектронной микроскопии и томографии ученые Калифорнийского университета в Сан-Диего выяснили, из чего состоит, как собирается и работает ядерная оболочка гигантского бактериофага 201phi2-1, который заражает бактерии Pseudomonas chlororaphis. Он относится к джамбо-фагам — хвостатым бактериофагам с геномом более 200 т.п.н.

«Это особый тип компартмента — не похожий ни на что, что мы когда-либо видели в природе», — говорит соруководитель исследования Элизабет Вилья.

Оболочка фагового ядра состоит не из липидного бислоя, а из одного белка, который авторы назвали чималлин (chimallin) — в честь щита древних воинов ацтеков.

Множество копий этого белка располагаются в виде квадратной решетки, похожей на рыболовную сеть. Двадцать четыре отдельных белка самостоятельно собираются в куб, тысячи таких кубов формируют плитки, из которых и состоит ядерная оболочка фага.

Эксперименты показали, что хималлин самособирается также in vitro, однако при сверхэкспрессии в неинфицированных клетках бактерий все же не образует фаговое ядро. Судя по всему, фаг кодирует один или несколько факторов нуклеации, которые способствую самосборке оболочки вокруг генома.

 Криоэлектронная томографии позволяет получить изображение бактериальной клетки, инфицированной фагом (вверху слева), с ядроподобным компартментом  (вверху справа обведен синим). Внизу слева — увеличенное изображение «ядерной оболочки» и капсида фага, внизу справа — решетка из белка чималлина (желтым пунктиром обведен белок в составе оболочки). Credit: Villa Lab, UC San Diego

В живых инфицированных клетках бактерий ядро вируса работает примерно так же, как клеточное, — защищает генетический материал вируса, но пропускает некоторые необходимые для размножения молекулы внутрь через промежутки между молекулами белка. Оболочка растет вместе с репликацией генома — авторы предполагают, что по мере роста в решетку встраиваются новые субъединицы белка. Поры в решетке также позволяют вирусным мРНК выходить наружу, в бактериальную клетку.

Поры, однако, не настолько велики, чтобы пропускать большинство сложных молекул. Судя по всему, фаг кодирует и другие компоненты оболочки, благодаря которым оказывается возможным специфический направленный транспорт белков и мРНК.

«Ядерная пора у эукариот представляет собой гигантскую сложную структуру с очень своеобразными способами не пропускать большинство белков, но пропускать некоторые. То, что мы, вероятно, видим у гигантского фага — значительно более простой способ решения той же проблемы», — сказал соруководитель работы Кевин Корбетт.

Бактериофагов используют как альтернативу антибиотикам для борьбы с резистентными штаммами бактерий. И вряд ли можно представить более подходящего кандидата на роль убийцы патогенных бактерий, чем фаг с «ядром».

«Теперь, когда мы знаем, что у некоторых фагов есть щит, мы можем передать его другим фагам и создать “суперфаги”, которые лучше подходят для фаговой терапии и преодоления бактериальной защиты. Первый шаг в этом процессе — понять структуру белка чималлина», — прокомментировал еще один автор исследования Джо Польяно.