26 июня 2019, среда, 04:47
VK.comFacebookTwitterTelegramInstagramYouTubeЯндекс.Дзен

НОВОСТИ

СТАТЬИ

PRO SCIENCE

МЕДЛЕННОЕ ЧТЕНИЕ

ЛЕКЦИИ

АВТОРЫ

Как бактерия распознает чужих

Электронная микрофотография множества бактериофагов, прикрепившихся к бактериальной клеточной стенке
Электронная микрофотография множества бактериофагов, прикрепившихся к бактериальной клеточной стенке

В последнем выпуске журнала Nature вышла статья израильских ученых о том, как бактериальный иммунитет – система CRISPR - отличает своих от чужих.

О системе CRISPR, защищающей бактерию от нападения бактериальных вирусов – фагов, в последнее время очень много говорят. Она была открыта совсем недавно, но сразу стало понятно, что, немного видоизменив, ее можно использовать для редактирования генома любых клеток. Подробнее об этом можно прочитать в специальных очерках «Редактирование генома: за и против» и «Новый шаг в редактировании генома».

Главные враги бактерий – фаги – вирусы, геном которых представлен молекулой ДНК. При заражении геном фага попадает внутрь бактерии и там интенсивно копируется, с него считывается РНК, бактериальные рибосомы вынуждены синтезировать вирусные белки, в конечном счете происходит сборка новых вирусов, которые покидают бактерию и отправляются на поиски новых жертв. Бактерия при этом часто гибнет.

В ходе эволюции у бактерий развился своеобразный иммунитет к фагам. Он был открыт во время исследования бактериальных геномов. В геномах бактерий нашлись кластеры, состоящие из фрагментов ДНК, совпадающих с фрагментами ДНК разных фагов. Оказывается, что бактерии умеют синтезировать РНК, частично комплементарную к ДНК фага и содержащую последовательность, привлекающую нуклеазу – белок, разрезающий нуклеиновые кислоты. Такая РНК по принципу комплементарности взаимодействует с ДНК вируса, к ним присоединяется одна из нуклеаз семейства Cas – Cas9, и режет вирусный геном. Вирус больше не может навредить бактерии, а информация о нем в виде фрагмента его ДНК сохраняется в бактериальном геноме. Как и в случае с приобретенным иммунитетом у человека, это позволяет быстрее давать отпор патогену при повторном заражении.

У человека обратной стороной существования иммунитета оказались становящиеся все более распространенными аутоиммунные  заболевания. Они возникают, когда клетки иммунной системы принимают собственные клетки организма за патогены и атакуют их. Возникает вопрос, как от этого защищаются бактерии? Человеческий организм состоит из большого числа клеток, и, если иммунная система убьет некоторое количество, то последствия могут быть довольно неприятными и опасным (как, например, при сахарном диабете первого типа), но редко сразу смертельными. А вот у бактерии всего одна хромосома, и, если ее целостность будет непоправимо нарушена, бактерия погибнет. Это значит, что есть какой-то механизм, позволяющий системе CRISPR отличать собственную ДНК от ДНК патогена.

Сохранением фрагментов вирусной ДНК в собственном геноме у бактерий E. coli занимаются нуклеазы Cas1 и Cas2. Добившись избытка этих ферментов в бактериях, авторы статьи смогли за короткий срок получить широкий спектр обработанных и встроенных фрагментов ДНК. Проанализировав их, исследователи сделали несколько выводов.

Во-первых, чем интенсивнее реплицируется (удваивается) ДНК, тем больше у нее шансов попасть в «черный список» – кластер CRISPR. Бактериальная хромосома удваивается один раз за одно деление бактерии, а вирусная ДНК копируется гораздо чаще – попав в бактерию, вирус создает сразу много копий себя. Уже на этой стадии в CRISPR кластер попадает гораздо больше инородной ДНК, чем своей.

При анализе встроенных фрагментов оказалось, что значительная часть собственной ДНК, попавшей в память иммунитета, находится в одной и той же области – области конца транскрипции. Геном бактерий представлен одной кольцевой хромосомой, образованной двухцепочечной молекулой ДНК. Когда бактерия делится, геном реплицируется. Репликация бактериального генома начинается всегда в одной и той же точке, при чем идет сразу в двух направлениях: по часовой стрелке и против. У этого процесса довольно сложная геометрия, и в конце образуются две идентичных кольцевых молекулы, которые не связаны ковалентно, но сцеплены как звенья цепи. Чтобы они могли разойтись по дочерним бактериальным клеткам, их надо разделить. Для этого специальные ферменты - топоизомеразы – разрезают, разделяют и вновь сшивают цепи ДНК.

Иногда с восстановлением целостности ДНК возникают трудности. Разрывы ДНК вообще сравнительно часто возникают во время репликации (кроме того, они могут возникать под действием внешних неприятностей – например, радиоактивного излучения), но в области конца репликации происходят неизбежно. Если обычные ферменты репликации не справляются с их починкой, на помощь приходит еще один фермент, вернее, группа ферментов ответственная за устранение разрывов – RecBCD. RecBCD деградирует ДНК от места разрыва до так называемого χ-сайта (эти сайты разбросаны по геному), а потом начинает чинить.

Оказалось, что инактивация этих ферментов приводит к тому, что бактерия перестает отличать свою ДНК от чужой, и в CRISPR кластер начинает попадать больше бактериальных последовательностей. Кроме того, добавление в чужеродную ДНК χ-сайтов существенно сокращало их попадание в кластеры CRISPR.

Из всего этого складывается стройная концепция. В CRISPR кластер попадают преимущественно фрагменты ДНК, отделенные во время деградации с участием RecBCD. Поскольку бактериальная ДНК будет деградировать до ближайшего χ-сайта, а чужеродная гораздо дольше – чужеродной ДНК попадает в кластеры больше. Значительная часть разрывов в ДНК, из-за которых RecBCD запускают деградацию, происходит во время репликации, поэтому та ДНК, которая чаще реплицируется, чаще попадает в кластеры. А это опять-таки вирусная ДНК. Таким образом, вирусную ДНК выдают отсутствие χ-сайтов и скорость репликации.

Обсудите в соцсетях

Система Orphus
«Ангара» Африка Византия Вселенная Гренландия ДНК Иерусалим КГИ Луна МГУ Марс Металлургия Монголия НАСА РБК РВК РГГУ РадиоАстрон Роскосмос Роспатент Росприроднадзор Русал СМИ Сингапур Солнце Юпитер акустика антибиотики античность археология архитектура астероиды астрофизика бактерии бедность библиотеки биомедицина биомеханика бионика биоразнообразие биотехнологии блогосфера викинги вирусы воспитание вулканология гаджеты генетика география геология геофизика геохимия гравитация грибы дельфины демография демократия дети динозавры животные здоровье землетрясение змеи зоопарк зрение изобретения иммунология импорт инновации интернет инфекции ислам исламизм исследования история карикатура картография католицизм кельты кибернетика киты климатология комета кометы компаративистика космос культура лазер лексика лженаука лингвистика льготы мамонты математика материаловедение медицина метеориты микробиология микроорганизмы мифология млекопитающие мозг моллюски музеи насекомые наука нацпроекты неандертальцы нейробиология неолит обезьяны общество онкология открытия палеолит палеонтология память папирусы паразиты перевод питание планетология погода политика право приматы психиатрия психоанализ психология психофизиология птицы ракета растения религиоведение рептилии робототехника рыбы сердце смертность сон социология спутники старение старообрядцы стартапы статистика такси технологии тигры топливо торнадо транспорт ураган урбанистика фармакология физика физиология фольклор химия христианство школа экология эпидемии эпидемиология этология язык Александр Беглов Древний Египет Западная Африка Латинская Америка НПО «Энергомаш» Нобелевская премия РКК «Энергия» Российская империя Сергиев Посад альтернативная энергетика аутизм биология бозон Хиггса глобальное потепление грипп информационные технологии искусственный интеллект история искусства история цивилизаций исчезающие языки квантовая физика квантовые технологии компьютерная безопасность компьютерные технологии космический мусор криминалистика культурная антропология междисциплинарные исследования местное самоуправление мобильные приложения научный юмор облачные технологии обучение одаренные дети педагогика персональные данные подготовка космонавтов преподавание истории продолжительность жизни происхождение человека русский язык сланцевая революция финансовый рынок черные дыры эволюция эмбриональное развитие этнические конфликты ядерная физика Вольное историческое общество жизнь вне Земли естественные и точные науки НПО им.Лавочкина Центр им.Хруничева История человека. История институтов дело Baring Vostok Протон-М 3D Apple Big data Dragon Facebook Google GPS IBM MERS PRO SCIENCE видео ProScience Театр SpaceX Tesla Motors Wi-Fi

Редакция

Электронная почта: polit@polit.ru
Телефон: +7 929 588 33 89
Яндекс.Метрика
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003 года. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2019.