Колониальные бактерии солончаков защищаются от фагов с помощью ретроэлементов

Многие гены, связанные с врожденным иммунитетом у животных, имеются и у бактерий, где также задействованы в защитных механизмах. Некоторые из таких компонентов врожденного иммунитета, имеющих бактериальное происхождение, особенно многочисленны у «многоклеточных» бактерий — бактериальных структур, в которых отдельные клетки взаимодействуют друг с другом с помощью адгезии. Благодаря защитным системам «многоклеточные» бактерии распознают угрозы извне и даже запускают программируемую гибель клеток. Чтобы эффективно противодействовать разнообразным угрозам, требуется вариабельность генов, кодирующих сенсоры антигенов, иными словами, направленный мутагенез в соответствующих локусах.

Одним из путей направленного мутагенеза у бактерий, архей и вирусов служат ретроэлементы, создающие разнообразие (diversity generating retroelements, DGR). Недавнее исследование, опубликованное в PNAS, позволяет предположить, что DGR в геномах «многоклеточных» бактерий создает разнообразие в генах, кодирующих белки-сенсоры антигенов.

В качестве объекта исследования авторы выбрали бактерию Thiohalocapsa sp. PB-PSB1, которая живет в солончаках и формирует многоклеточные структуры, похожие на розовые ягоды. В геноме PB-PSB1 были найдены девять DGR и 15 генов-мишеней.

В состав каждого локуса DGR входят все компоненты, необходимые для внесения генетического разнообразия: склонная к ошибкам обратная транскриптаза, матрица с повторами и вспомогательные белки. С матрицы считывается РНК с повторами. В этой РНК есть аденины, некоторые из них обратная транскриптаза заменяет на случайные нуклеотиды, после чего измененная последовательность встраивается в вариабельный участок гена-мишени. Таким образом, в гене-мишени появляется область с повторами, содержащими мутации. Мутации располагаются почти исключительно в первой или второй позиции кодона, что дополнительно увеличивает потенциальное разнообразие кодируемых белков. Мутагенез с помощью DGR может давать от 10⁹ до 10¹⁶ полипептидов на один вариабельный участок и до 2×10⁴⁵ полипептидов на мишень, а в целом — 1,5×10²⁹⁴ комбинаций на уровне белка, если учитывать все мишени. При этом и сами DGR подвергаются изменениям: оказалось, что и в их составе происходили дупликации и перемешивание доменов. У PB-PSB1 изменения в DGR обеспечиваются активностью многочисленных мобильных элементов.

Авторы изучили вариабельность последовательностей DGR в метагеномных данных, полученных из отдельных «розовых ягод». Оказалось, что геномы бактерий в составе одной «ягоды» очень близки и, вероятно, клетки имеют клональное происхождение. Чтобы охарактеризовать роль DGR в геномном разнообразии клеток PB-PSB1 из отдельной колонии, авторы работы секвенировали геномы клеток из трех «ягод» и показали вариабельность в мишенях всех DGR, кроме одного. Дальнейшие исследования позволили предположить, что уровень разнообразия вариабельный участков зависит от условий среды.

Некоторые гены PB-PSB1, содержащие вариабельные участки, предположительно, кодируют белки, задействованные в защитных системах. Две гена-мишени содержат НТФазные домены семейства STAND, которые у бактерий обеспечивают защиту от фагов с геномом в виде одноцепочечной РНК, а также литических и лизогенных фагов с геномом, представленным двуцепочечной ДНК.

Из-за колоссального потенциала для диверсификации генов, кодирующих антигены, авторы работы сравнили основанную на DGR защитную систему «многоклеточных» бактерий с адаптивным иммунитетом.

Листерии защитились от антисептика, образуя биопленки с другими видами бактерий