Обнаружены новые ферменты, защищающие прокариот от вирусов

У прокариот есть множество систем, которые обеспечивают защиту от вирусов. Хорошо известные примеры систем бактериального иммунитета — CRISPR/Cas и системы рестрикции-модификации, которые теперь используются в генной инженерии. Гены, кодирующие такие системы, обычно располагаются рядом друг с другом в кластерах — защитных «островках» в геноме. Из-за этого новые защитные гены ищут вблизи уже известных, особое внимание уделяя генам, кодирующим такие домены, которые часто встречаются в системах противовирусной защиты прокариот. В новой статье, опубликованной под руководством Евгения Кунина и Фэна Чжана, для поиска новых систем защиты бактерий и архей от вирусов руководствовались другим принципом — наоборот, искали гены, кодирующие еще не аннотированные домены или домены, которые обычно не используются для противовирусной защиты.

Исследователи проанализировали все доступные геномы бактерий и архей, из которых отобрали все гены, находящиеся вблизи известных защитных «островков». Список этих генов разбили на отдельные последовательности — сиды (seed), для каждого из которых определили все известные гомологи и проанализировали их геномное окружение. Считалось, что если окружение гомологов похоже на окружение известных защитных генов, то и сид тоже наверняка связан с противовирусной защиты.

В результате ученые выявили 7472 сида с гипотетическими защитными генами, а также 4555 сида, соответствующие уже известным защитным генам. Среди еще не описанных генов около четверти не кодировало аннотированных доменов или кодировало домены с неизвестными функциями, а еще больше трети генов кодировало только домены, которые никогда не были связаны с иммунными функциями.

Для экспериментальной проверки противовирусной активности ученые отобрали всего 48 кандидатных систем. При выборе они руководствовались несколькими факторами: такие системы должны быть широко представлены у прокариот, содержать домены, функции которых ранее не были описаны вообще или не были описаны в контексте бактериального иммунитета; также они должны были включать белки размером более 300 аминокислот, чтобы повысить вероятность присутствия ферментов. Для каждой системы выбирали несколько гомологов, которые клонировали в кишечную палочку, а потом оценивали эффективность против разных фагов, геном которых был представлен двухцепочечной или одноцепочечной ДНК (дцДНК или оцДНК) или одноцепочечной РНК (оцРНК).

Противовирусную активность продемонстрировало 29 кандидатных систем, причем все они защищали минимум от одного фага с дцРНК, а четыре из них — еще и от фага с оцДНК. Для всех систем была характерна довольно узкая специфичность, при этом у трети всех прокариот присутствует хотя бы одна из этих систем.

Одну из новых систем противовирусной защиты прокариот ученые назвали RADAR (Adenosine Deaminase Acting on RNA). Она состоит из двух генов — АТФазы и аденозиндезаминазы, хотя в некоторых случаях дополнительно присутствует небольшой мембранный белок. Эта система защищает от фагов с дцДНК — T2, T3, T4 и T5. Обычно аденозиндезаминазы участвуют в метаболических путях, но этот фермент оказался довольно крупным, поэтому ученые предположили, что он взаимодействует с целыми нуклеиновыми кислотами, а не со свободными нуклеотидами или нуклеозидами. Оказалось, что RADAR редактирует фаговую РНК, превращая аденозины в инозины, и в результате мешает экспрессии фаговых генов на ранних стадиях инфекции. В отсутствии фага система не активируется, но запускается в присутствии отдельных фаговых белков.

Также ученые нашли шесть новых обратных транскриптаз с защитной функцией, которые защищали от фагов с дцДНК. Их назвали DRT (Defence Reverse Transcriptases). Среди них наблюдалось большое разнообразие: некоторые обратные транскриптазы работали поодиночке; в других системах было сразу два таких фермента, причем оба оказались необходимыми для работы системы; третьи были ассоциированы с небольшими мембранными белками.

Интересной оказалась DRT 1 типа, более крупная, чем другие защитные обратные транскриптазы, так как на C-конце белка присутствовал нитрилазный домен. Нитрилазы — это гидролазы, которые обычно участвуют в биосинтезе малых молекул и в метаболизме нуклеотидов, тогда как в этом случае этот домен стал использоваться прокариотами для противовирусной защиты. DRT 1 типа подавляла экспрессию поздних фаговых генов (например, кодирующих капсиды).

Для защиты от вирусов прокариоты используют и ретроны — химеры из РНК и оцДНК, также несущие ген обратной транскриптазы. В кишечной палочке нашли ретроны Ec67, Ec86, Ec78, которые позволяют бактерии защищаться от фагов с дцДНК. Механизм защиты основан на образовании внехромосомной сателлитной ДНК, причем ее структура тоже каким-то образом важна для защиты: замена всего одного нуклеотида в ее составе снижала активность систеы в 100-1000 раз.

Исследователи нашли еще целый ряд интересных систем с пока неизвестными механизмами. Например, от фагов T3, T7 и ϕV-1 защищает так называемая триада фосфорилирования TerY, состоящая из серин/треониновой протеинфосфатазы, серин/треониновый протеинкинзы и еще одного белка, связывающего ионы металлов. Также ученые нашли белок с сиртуиндеацетилазным доменом, как в системе Thoeris; белок ApeA — это возможный предок белка Cas13; необычную АТФазу со вставкой двух трансмембранных спиралей; кассету из четырех генов, один из которых кодирует 7-циано-7-деазагуанинсинтазу — фермент, синтезирующий малые молекулы. Кроме того, нашли целый ряд АТФаз и ГТФаз, которые объединили в отдельное семейство — AVAST (Antivaral ATPases/NTPases of the STAND superfamily); эти ферменты являются гомологами белков, которые у эукариот нужны для запуска программируемой клеточной гибели.

Фаг нейтрализует защитную систему бактерии-хозяина с помощью гена тРНК