Горизонтальный перенос белков помогает бактериям защищаться от антибиотиков

Уже известно, что горизонтальный перенос генов между бактериями способствует их адаптации, например, формированию устойчивости к антибиотикам. Однако до сих пор не было установлено, могут ли бактерии обмениваться функциональными белками. Авторы статьи в Science показали, что антибиотики могут стимулировать горизонтальный перенос белков между бактериями, и этот механизм обеспечивает выживание бактерий.

Ученые создали систему из двух штаммов Escherichia coli — донора и реципиента — чтобы напрямую оценить горизонтальный перенос белков. Донорский штамм нес Cre-рекомбиназу, экспрессия которой индуцировалась арабинозой, а штамм-реципиент содержал инвертированный ген галактокиназы (galK) — одного из ключевых ферментов метаболизма галактозы, — фланкированный loxP-сайтами. Перенос Cre-рекомбиназы от донора к реципиенту возвращал бы ген галактокиназы в правильное положение, то есть запускал экспрессию функционального фермента. Таким образом, при передаче Cre-рекомбиназы бактерия-реципиент приобретет возможность расти на среде с галактозой в качестве единственного источника углерода. 

При совместной инкубации доноров и реципиентов колонии, способные утилизировать галактозу, возникали с частотой 3,4 × 10⁻⁷ реципиентов, восстановление функционального гена галактокиназы подтвердили методом ПЦР. Перенос происходил только при экспрессии Cre в донорском штамме.

Убедившись, что инкубирование штамма-реципиента с очищенной ДНК Cre не приводит к событиям переноса, за исключением принудительного внедрения ДНК в клетки путем электропорации, авторы оценили влияние антибиотика ципрофлоксацина на этот процесс. Субингибиторная концентрация ципрофлоксацина увеличила частоту переноса Cre более чем в четыре тысячи раз. Ученые воспроизвели результат и на антибактериальном препарате другого класса — карбенициллине, а также показали, что на экспрессию Cre в штамме-доноре антибиотик не влиял. 

Затем ученые пометили Cre последовательностью SsrA, чтобы направить рекомбиназу на деградацию протеазами в штамме-доноре, и это снизило перенос в штамм-реципиент. Таким образом они подтвердили, что переносится сам белок, а не кодирующая его мРНК, уровни которой при этом не менялись. 

Чтобы выяснить, в каком виде белок переносится от донора к реципиенту, исследователи проанализировали фракции супернатанта, собранного с культуры бактерий. Они выявили присутствие Cre в мембранных везикулах, подтвердив это данными криоэлектронной томографии. 

Среди других белков, представленных в содержащей Cre фракции, внимание авторов привлек PspA — член семейства белков фагового шока. Этот белок ассоциирован с внутренней мембраной; известно, что он участвует в ее ремоделировании, а также делении и слиянии везикул. Делеция только гена PspA не повлияла на общую концентрацию везикул, продуцируемых в ответ на ципрофлоксацин, или наличие в них Cre-рекомбиназы. Однако делеция всего регулона psp снизила количество Cre+-везикул примерно в семь раз, а эффективность горизонтального переноса снизилась более чем в 8 тысяч раз. 

Индукция Psp в штамме-реципиенте, напротив, снизила частоту горизонтального переноса белка, указывая на разницу в физиологическом состоянии доноров и реципиентов. 

Кроме того, ученые показали, что бактерии-реципиенты экспрессировали маркеры покоящихся клеток, такие как ssrS — это малая РНК, которая подавляет трансляцию и накапливается в стационарной фазе. 

Наконец, исследователи подтвердили, что горизонтальный перенос белка повышает выживаемость штамма-реципиента в присутствии антибиотика. Воздействие везикул, полученных от штамма-донора, было ассоциировано с лучшей переносимостью летальных концентраций ципрофлоксацина штаммом-реципиентом.

Авторы работы заключают, что горизонтальный перенос белков, существование которого они подтвердили напрямую, служит механизмом, который позволяет покоящимся бактериям выжить в неблагоприятных условиях. По-видимому, активные бактерии передают своим покоящимся «соседям» ключевые белки, такие как компоненты рибосом или факторы репарации ДНК. Это позволяет реципиентам выжить, несмотря на сниженный синтез собственных белков.

Горизонтальный перенос транспозонов вирусами оказался важным источником новых интронов