XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Прокариоты – бактерии и археи – важнейший компонент подавляющего большинства природных экосистем Земли в течение всей истории биосферы. Все известные на сегодня группы прокариот обладают вирусами – бактериофагами и вирусами архей, способными специфически инфицировать их клетки. Бактериофаги являются естественным регулятором численности бактерий, их внутри- и межвидового разнообразия, действуя как селективный бактерицидный агент, перераспределяющий ресурсы между различными бактериальными популяциями. Вирусная инфекция также действует как селектирующий фактор естественного отбора, поддерживающий высокое разнообразие поверхностных структур и внутриклеточных противовирусных систем бактерий и архей. Бактериофаги и вирусы архей оказывают и непосредственное воздействие на эволюцию геномов своих хозяев – умеренные фаги, способные к интеграции в геном инфицированной клетки и прямому переносу генетической информации.

Бактериофаги – самые многочисленные вирусные формы в биосфере Земли (их общее количество – 10³⁰–10³² фаговых частиц, что примерно равно количеству бактерий, 4–6⸱10³⁰), облигатные внутриклеточные паразиты, так как у них нет механизмов для выработки энергии и рибосом для синтеза белка.

Бактериофаги уничтожают половину мировой популяции бактерий каждые двое суток, поэтому микроорганизмы не покрывают всю поверхность Земли толстым слоем «бактериальной пленки», что произошло бы за несколько дней при отсутствии фагов.

В ходе инфекции они влияют на все процессы жизнедеятельности бактериальной клетки, превращая ее в фабрику по производству вирусного потомства. В конце концов клетка разрушается, а образованные вирусные частицы выходят наружу и могут заражать новые бактерии. Известны механизмы защиты, которые бактерии выработали в ходе борьбы с вирусами.

Вирусная атака начинается с прикрепления фага к специфическому рецептору на поверхности бактериальной клетки. Бактерии могут изменять рецепторы в зависимости от окружающих условий: плотность и разнообразие микроорганизмов в среде, доступность питательных веществ и др. Одной из защитных стратегий бактерий оказывается блокирование рецепторов, происходящего посредством изменения рецепторных молекул. Некоторые бактерии способны нести плазмиды, содержащие гены белков, способных изменять конформацию рецепторов фагов или маскировать их. Фазовая вариация – механизм изменения структур клеточной поверхности у некоторых бактерий, необходимый для успешной колонизации ими различных ниш. Продукция этими клетками различных токсинов, факторов адгезии и вирулентности находится под контролем двухкомпонентной системы BvgAS. Клетки в состоянии Bvg+ экспрессируют факторы колонизации и вирулентности, включающие системы секреции и белки, служащие фаговыми рецепторами. Клетки в состоянии Bvg- не экспрессируют эти белки, что приводит к значительному снижению частоты возникновения фаговой инфекции.

Синтез структурированных внеклеточных биополимеров (капсульные полисахариды, полиальгинаты, гиалуронаты) некоторыми бактериями может повышать выживаемость бактерий в различных экологических нишах, защищая их от неблагоприятных физико-химических факторов, одновременно предоставляя физический барьер между фагом и бактериальным поверхностным рецептором. Свободные биомолекулы, а также их комплексы, в норме присутствующие в среде с высокой плотностью микробной жизни, способны взаимодействовать с фаговыми рецепторами, маскируя или аттенуируя их.

Указанные выше адаптации клеток бактерий к наличию фагов в среде отличаются тем, что для поддержания их в активном состоянии требуется существенное количество энергии и метаболитов, кроме того, физический барьер вокруг клетки затрудняет и массообмен бактерии с окружающей средой. В результате для каждой пары «бактерия-бактериофаг» в ходе эволюции находится оптимальное решение, обеспечивающее приемлемый уровень защиты при сохранении возможности роста бактерий в различных условиях среды.

Следующий защитный механизм – исключение супер­инфекции. Для бактериофагов известны два основных пути инфекции: литический, приводящий к быстрой гибели зараженной бактерии с высвобождением вирусного потомства, и затяжной лизогенный путь, когда наследственный материал вируса находится внутри генома бактерии, удваивается только с хозяйской ДНК, не причиняя клетке вреда. Когда клетка находится в состоянии лизогенной инфекции, то для профага (ДНК фага, встроенной в хромосому бактерии), ее заражение другим вирусом нежелательно. Профаги ограничивают вновь проникшего в клетку бактериофага («суперинфекцию») посредством специальных белков-репрессоров, не позволяющих работать его генам, некоторые фаги препятствуют другим вирусным частицам проникнуть в инфицированную ими клетку, воздействуя на ее рецепторы.

Существуют также системы абортивной инфекции, которые приводят к запрограммированной гибели зараженных бактерий, что предотвращает дальнейшее распространение инфекции и гибель других чувствительных к данному фагу бактерий. Бактериальные системы абортивной инфекции очень разнообразны, но детали их функционирования изучены недостаточно.

К средствам противовирусной защиты бактерий относятся и системы рестрикции-модификации (РМ), которые способны взаимодействовать со специфическими последовательностями ДНК – сайтами узнавания – и различать их метилированное и неметилированное состояния. Системы РМ широко распространены среди бактерий и архей (из ~8500 бактериальных и архейных геномов эти системы не обнаружены в 385 геномах).

Классические системы РМ включают ферменты с двумя видами активности: 1) эндонуклеаза рестрикции распознает определенную последовательность ДНК (сайт узнавания) и расщепляет ДНК, если эта последовательность не метилирована; 2) ДНК-метилтрансфераза (МТаза) способна взаимодействовать с той же самой последовательностью ДНК и метилировать ее, защищая от гидролиза эндонуклеазой рестрикции. Присутствие систем РМ в прокариотической клетке приводит к тому, что сайты узнавания этих систем в геноме оказываются метилированными, и это наследуется при репликации.

При внедрении в клетку бактериофагов, содержащих двухцепочечную ДНК, такая неметилированная ДНК подвергается расщеплению эндонуклеазами рестрикции. На защитную роль систем РМ указывает то, что многие фаги имеют специальные стратегии, направленные на избегание действия систем РМ. С вероятностью 10^–1–10^–8, в зависимости от свойств конкретной системы, МТаза успевает заметилировать ДНК бактериофага до того, как эндонуклеаза рестрикции успеет ее гидролизовать. После одного цикла размножения вируса в бактериальной клетке, содержащей систему РМ, ДНК потомков бактериофага модифицируется соответствующей МТазой, и все потомки этого фага становятся нечувствительными к данной системе РМ. Для защиты бактерий от фагов с модифицированным геномом в процессе коэволюции бактерий и бактериофагов появились системы РМ, которые, наоборот, способны расщеплять только метилированную ДНК.

Популяция бактерий одного вида может быть гетерогенна по составу систем РМ (т.е. обладать различными типами этих систем: I-IV), поэтому потомки бактериофага, заразившего субпопуляцию с одним набором систем РМ, неустойчивы к действию систем РМ другой части популяции. Если фаг, получивший устойчивость к одной системе РМ за счет метилирования всех сайтов в его геноме, заразит субпопуляцию бактерий, не несущих системы РМ с такой же специфичностью, то сайты в ДНК потомков потеряют метилирование, и, следовательно, фаги потеряют защиту от системы РМ за один цикл размножения. Бактерии могут быстро изменять специфичность системы РМ, что приводит к увеличению эффективности защиты бактерий от бактериофагов и к гетерогенности популяции бактерий по составу систем РМ.

В защите от внедрения бактериофагов и конъюгативных плазмид в клетки прокариот участвует система CRISPR-Cas (кластрированные, равномерно удаленные друг от друга короткие палиндромные повторы – CRISPR найдены в секвенированных геномах 91,0 % архей и 45,0 % бактерий). Типичная CRISPR-система представляет собой кассету, состоящую из коротких уникальных участков – спейсеров (последовательности чужеродных нуклеиновых кислот) размером 27–72 п.н. (пар нуклеотидов) и разделяющих их строгих палиндромных повторов размером 24–47 п.н. Вблизи CRISPR были обнаружены последовательности, получившие название Сas генов.

При проникновении в клетку ДНК фага белки Cas встраивают фрагменты вирусной ДНК в определенный участок генома бактерии - локус CRISPR, так приобретаются спейсеры, этот процесс называется ​адаптацией. Далее в ходе транскрипции CRISPR-кассеты образуется длинная молекула РНК, которая разрезается белками Cas на короткие фрагменты – защитные криспрРНК (крРНК), каждая из которых содержит один спейсер. Процесс интерференции: белки Cas вместе с молекулой крРНК образуют эффекторный комплекс, который сканирует всю ДНК клетки на наличие последовательностей, идентичных спейсеру (протоспейсеров), крРНК комплементарно узнают последовательность протоспейсера, а белки Cas обеспечивают ее разрушение.

Общий принцип действия всех известных систем CRISPR-Cas одинаков, но механизмы их работы могут существенно отличаться в деталях. Наибольшие различия проявляются в строе­нии и функционировании эффекторного комплекса, в связи с чем системы CRISPR-Cas делят на шесть типов.

Таким образом, если в клетку однажды проникла фаговая ДНК, но клетка выжила и встроила фрагмент чужеродного генома в свой нуклеоид, то последующие попытки таких же фагов эксплуатировать клетку или ее потомков будут неэффективны. Однако зараженные клетки погибают даже при наличии защиты CRISPR-Cas, но при этом они ограничивают численность вирусного потомства, поэтому CRISPR-Cas относится к системам абортивной инфекции.

Если фаг обзаведется мутацией в протоспейсере, эффективность его узнавания эффекторным комплексом снижается, и фаг получает возможность заразить клетку. В качестве ответной реакции возникает праймированная адаптация: бактерия начинает с резко возросшей эффективностью приобретать новые дополнительные спейсеры из ДНК этого фага, что многократно повышает эффективность защитного действия систем CRISPR-Cas. Также разные бактерии одного и того же штамма встраивают в свой геном разные спейсеры, соответствующие разным участкам генома фага. Точечные мутации, «обезвреживающие» один спейсер, позволят фагам заразить только небольшую часть бактериальной популяции, при этом бактериофаг не может определить заранее, какие спейсеры имеются у конкретной клетки. Поэтому большинство фагов в полиморфной популяции бактерий погибает даже при высокой скорости появления точечных мутаций. Вирусы могут обменивать участки своего генома, на которые нацелена система CRISPR-Cas, на участки геномов родственных вирусов, отличающихся по составу нуклеотидной последовательности.

Некоторые бактериофаги реагируют на наличие в бактериальной клетке систем CRISPR-Cas выработкой особых анти-CRISPR-белков, способных связываться с белками Cas и блокировать их функции. Однако существует много разных вариантов системы CRISPR, каждый из которых уязвим только для некоторых анти-CRISPR-генов и защищен от других. Содержать же в своем геноме множество подобных генов бактериофаги не могут, так как отбор у них ведется преимущественно в направлении компактизации генома – в угоду увеличению скорости размножения.

Такая антагонистическая коэволюция фагов и бактерий, протекающая параллельно на разных уровнях и в разных временных масштабах позволяет соблюдать баланс в системе «бактериофаг – бактерия» на уровне одной популяции и биоценоза в целом.

Список литературы

1. Летаров А. В., Куликов Е.Е. Адсорбция бактериофагов на клетках бактерий // Успехи биологической химии. – М: ИНБИ РАН, 2017. т. 57. – С. 153–208.

2. Головин С. Бактериофаги: убийцы в роле спасителей // Наука и жизнь. – М: АНО «Редакция журнала «Наука и жизнь», 2017. – № 6. – С. 26–33.

3. Amelia M. Randich, David T. Kysela, Cécile Morlot, Yves V. Brun. Origin of a core bacterial gene via co-option and detoxification of a phage lysin // Current Biology. – 2019. Vol. 29. Issue 10. – PP. 1634-1646.

4. Северинов К. В., Строцкая А. В., Ширяева А. А. Вирусы и бактерии – великое противостояние // Наука из первых рук. – Новосибирск: ООО «ИНФОЛИО», 2016. – т. 70. – № 4. – С. 50-57.

5. Ершова А. С., Русинов И. С., Спирин С. А. Роль систем рестрикции-модификации в эволюции и экологии прокариот // Биохимия. – М: ИКЦ «Академкнига», 2016. – т. 81. вып. 1. – С. 18-34.

6. Шашкова А. В., Горяев А. А., Смирнова Н. И. Строение и функциональная роль CRISPR-системы бактерий // Проблемы особо опасных инфекций. – Саратов: ФГУЗ «РосНИПЧИ «Микроб», 2011. – № 2(108). – С. – 49-52.

Код для цитирования: Скопировать