Ретроны — компоненты иммунной системы бактерий

Ретроны — это элементы генома, включающие последовательности обратной транскриптазы и некодирующей РНК. Обратная транскриптаза использует эту некодирующую РНК (нкРНК) как матрицу для ДНК. В результате формируется химерная РНК-ДНК молекула, в которой РНК и ДНК связаны ковалентно. Ретроны были открыты более 30 лет назад, однако их функция до сих пор оставалась неизвестной.

Авторы нового исследования, опубликованного в Cell, показали, что ретроны работают как часть иммунной системы бактерий. Открытие было сделано почти случайно. Ученые искали новые элементы генома бактерий, которые могут участвовать в защите от фагов. Поиск таких систем велся по обратным транскриптазам, так как известно, что они вовлечены в некоторые механизмы защиты. Оказалось, что гомологи гена определенной обратной транскриптазы широко представлены у бактерий и расположены в геноме рядом с уже известными системами защиты против фагов. Более того, ген обратной транскриптазы всегда локализован рядом с геном белка, предположительно включающего эндонуклеазный домен. Исследователи перенесли систему из этих двух генов в E. coli и подтвердили их защитную функцию против различных бактериофагов.

Между генами обратной транскриптазы и белка также обнаружился очень консервативный и при этом относительно длинный регион. Данные РНК-секвенирования показали, что он транскрибируется, а значит, соответствует нкРНК. Выбранная обратная транскриптаза имела значительную гомологию с обратными транскриптазами ретронов. Ученые предположили, что исследуемый элемент также относится к этому классу. Они предсказали вторичную структуру некодирующей РНК, похожую на уже известные структуры в ретронах, а также подтвердили, что эта РНК используется как матрица для синтеза одноцепочечной ДНК. Кроме того, мутации в гене обратной транскриптазы, нарушающие ее функцию, приводили к полному исчезновению иммунного ответа на вторжение бактериофагов.

При дальнейшем анализе исследователи выяснили, что ретрон — это часть консервативной области, включающей также гены эффекторных белков. Мутация, инактивирующая рибозилтрансферазный домен в продукте одного из этих генов, полностью нарушает защитный ответ. Некоторые эффекторы содержали белковые домены, характерные для систем, вызывающих самоубийство клетки бактерии при вторжении фага. Действительно, оказалось, что в колониях бактерий, содержащих такие ретронные системы, при заражении резко снижается рост численности или даже наблюдается общая гибель.

На следующем этапе ученые показали, что механизм защиты по крайней мере у одного типа ретронов связан с белковым комплексом RecBCD. Этот комплекс вовлечен в репарацию, иммунный ответ, приобретение новых спейсеров CRISPR-Cas-систем и формирование направляющих ДНК для защиты от чужеродных нуклеиновых кислот. Если в бактериальную клетку вторгается фаг, несущий ингибитор RecBCD, то активируется защитная система, связанная с ретроном. В результате можно видеть сильное снижение плотности колоний бактерий, что свидетельствует об их самоубийстве в результате заражения и запуска иммунного ответа.

По словам профессора Ротема Сорека, возглавляющего лабораторию в Институте Вейцмана в Реховоте (Израиль), в которой проводилось исследование, стратегия защиты бактерий напоминает иммунный ответ у растений: «Зараженные клетки растений применяют похожий метод абортивной инфекции, убивая небольшой участок листа или корня, чтобы спасти само растение. Поскольку большинство бактерий живут колониями, эта стратегия может способствовать выживанию группы даже за счет отдельных членов».