У возбудителя холеры обнаружены три новые системы защиты от фагов

Холера — острое кишечное заболевание, ежегодно поражающее до 4 миллионов людей. Холерные вибрионы линии WASA (West African–South American), вызвавшие крупную эпидемию холеры в Латинской Америке в 1991–2001 годах, отличаются от других штаммов двумя уникальными генетическими участками. Авторы работы, опубликованной в Nature Microbiology, показали, что оба элемента кодируют ранее неизвестные системы защиты от бактериофагов.

Первый элемент — встроенный в геном профаг WASA-1 — обеспечивает устойчивость штаммов к фагу ICP1, который часто встречается у пациентов с холерой и, как предполагается, ограничивает распространение эпидемий. Ученые выяснили, что устойчивость обеспечивается двухгенной системой WonAB, кодирующей АТФазу из семейства ABC-транспортеров WonA и нуклеазу WonB. Удаление оперона wonAB из генома чувствительных штаммов лишало бактерий защиты от ICP1, а его экспрессия в клетках кишечной палочки придавала им устойчивость к широкому спектру других фагов.

Далее исследователи более подробно изучили механизм действия WonAB. Оказалось, что защита осуществляется по принципу «абортивной инфекции» — зараженные клетки перестают делиться, тем самым блокируя размножение фага, но не подвергаются немедленному лизису. При этом нуклеоиды в клетках компактизируются, но не деградируют, а синтез белков фага не запускается. Это навело авторов на мысль, что нуклеаза WonB нарушает трансляцию. Действительно, при оверэкспрессии WonB в присутствии WonA наблюдалась быстрая остановка роста и токсичность, не связанная с деградацией ДНК. Кроме того, избыточный белок WonB быстро разрушался внутри клетки с участием протеазы Lon, что, по-видимому, служит защитой от аутоиммунного действия системы.

Второй защитный кластер, VSP-II^WASA, содержит два независимых элемента: рестрикционную систему GrwAB и систему Shedu-типа, получившую название VcSduA. Чтобы изучить функцию GrwAB, авторы интегрировали ее в клетки E. coli и провели скрининг ее активности на коллекции фагов. Система обеспечивала устойчивость к ряду фагов, в частности к подсемействам Queuovirinae и Tevenvirinae, в геномах которых содержатся модифицированные азотистые основания. Предположительно, они и являются мишенью антифаговой системы GrwAB. Сайт-направленный мутагенез подтвердил, что для защиты необходима каталитическая активность обеих субъединиц (GrwA и GrwB). Микроскопия показала, что GrwAB, вероятно, разрушает фаговую ДНК, но не всегда предотвращает повреждение клетки. Это может быть связано с поздней активацией или побочным эффектом рестрикции.

Вторая система — VcSduA — оказалась новым представителем семейства Shedu. Она кодирует GHKL-АТФазный и нуклеазный домены, и экспрессия этой системы в клетках кишечной палочки обеспечивала устойчивость к фагам из семейства Drexlerviridae. В экспериментах на штаммах холерных вибрионов система защищала их от вирулентного фага X29. Также было выяснено, что VcSduA ингибирует фаг до начала сборки капсида, сохраняя жизнеспособность бактериальной клетки.

Изученные системы обеспечивают WASA-линии преимущество в условиях фаговой угрозы — в описанных экспериментах они придавали бактерии устойчивость к 2/3 проанализированной коллекции фагов. Авторы предполагают, что резистентность к местным бактериофагам могла способствовать успешному распространению этой линии сначала в Западной Африке, а затем и в Латинской Америке. Открытие ранее неизвестных защитных механизмов подчеркивает важность анализа мобильного генетического материала бактерий при оценке их эпидемического потенциала.

Холерный вибрион против бактериофага: битва малых РНК

Фаги могут влиять на чувствительность бактерий к антибиотику