Бактериофаги — это вирусы, которые заражают бактериальные клетки, природные «хищники» и враги бактерий. Когда фаг заражает клетку, она разрушается, и из неё наружу выходят десятки или даже сотни новых вирусных частиц — фаговое потомство. Продолжающаяся «гонка вооружений» между бактериями и фагами привела к возникновению разнообразных врождённых и адаптивных иммунных систем у бактерий и анти-иммунных систем у фагов. При этом иногда фаги могу «играть на стороне хозяина» и сами кодируют иммунные системы, которые помогают им конкурировать с другими фагами. Одна из таких иммунных систем — PARIS (от англ. Phage Anti-Restriction-Induced System).

PARIS включает два компонента — сенсор AriA и эффектор-токсин AriB. Система активируется белком Ocr (от англ. Overcoming classical restriction), который имитирует структуру ДНК и благодаря связыванию с защитными ДНК-распознающими белками помогает фагу Т7 избежать действия систем рестрикции-модификации и защитной системы BREX (от англ. BacteRiophage EXclusion). Коллектив учёных из Сколтеха, а также США и Франции разобрался в механизме работы системы PARIS и представил результаты в новой статье в журнале Nature.

«Система PARIS, с нашей точки зрения, довольно особенная, поскольку она напрямую демонстрирует коэволюцию бактерий и фагов, являясь связующим звеном между анти-иммунными белками и бактериальным иммунитетом. У бактерий открыто более 150 иммунных систем, и это означает, что фагам также нужно к ним приспосабливаться и кодировать различные анти-иммунные белки. PARIS является своего рода контрмерой со стороны бактерий, позволяя защититься от фагов, уже научившихся ингибировать другие иммунные системы. Отдельная интересная особенность PARIS — это способность распознавать вирусную инфекцию по наличию в клетке вирусных белков, а не вирусной ДНК, что, скорее, напоминает принцип антиген/антитело, характерный для иммунитета эукариот. В последние годы было открыто множество подобных систем (~AVAST, CapRel, Thoeris и др.). При этом появление в клетке вирусных белков часто означает, что инфекция зашла уже достаточно далеко и системы, нацеленные на уничтожение вирусной ДНК, не справились с задачей. В таких условиях эффективной стратегией защиты является запрограммированное убийство клетки, что останавливает развитие вирусной инфекции на уровне популяции. Нам удалось расшифровать механизм подобной „самоубийственной программы“ для системы PARIS», — прокомментировал работу научный руководитель исследования, старший преподаватель и руководитель Лаборатории анализа метагеномов в Центре молекулярной и клеточной биологии Сколтеха Артём Исаев.

Исследователи показали, что AriA и AriB собираются в супрамолекулярный иммунный комплекс и при помощи криоэлектронной микроскопии разрешили его структуру. Сенсор AriA собирается в каркас в форме винта, который координирует три субъединицы AriB и держит токсин в неактивном состоянии. При появлении в клетке триггера — то есть белка активатора, такого как Ocr — сенсор AriA напрямую связывается с ним, что приводит к высвобождению активного димера токсина-эффектора AriB. При этом авторы показали, что AriB является РНКазой, расщепляющей в клетке лизиновую тРНК, что приводит к остановке трансляции и клеточной гибели. 

«„Гонка вооружений“ в случае с PARIS наблюдается в чистом виде: иммунные системы бактерий вызывают возникновение у вирусов анти-иммунных белков, в ответ на это у бактерий появляется система PARIS. Некоторые фаги пошли ещё дальше: бактериофаг Т5 научился ингибировать и эту линию защиты бактерий. Это была практически детективная история, когда вдруг оказалось, что фаг Т5 в Москве и в Париже — это немного разные фаги: „московский“ фаг потерял фрагмент генома и вместе с ним несколько генов тРНК, что сделало его чувствительным к защите PARIS. Нам удалось показать, что вирусная лизиновая тРНК нужна фагу для успешной инфекции клеток PARIS, так как она не расщепляется белком AriB, и таким образом фаг Т5 как бы спасает клетку от токсичного действия системы PARIS, лишь для того, чтобы произвести собственное потомство и вскоре убить клетку самостоятельно» — добавила один из первых авторов работы, аспирант Сколтеха по программе «Науки о жизни» Светлана Белухина.

«Такая последовательная эволюционная борьба, появление новых способов защиты и антизащиты, иммунитета и его ингибирования, всё равно позволяет микробным популяциям, бактериям и фагам сосуществовать и продолжать развиваться вместе. Это красивый пример того, что эволюцию невозможно остановить. Помимо этого, наша работа предложила новый ответ на давно известную загадку: зачем вирусы в принципе кодируют собственные тРНК? Оказывается, что в некоторых случаях молекулы тРНК помогают вирусу справиться с иммунными системами бактерии. Возможно, что и у некоторых вирусов, заражающих человека, тРНК могут играть похожую роль», — добавил соавтор работы, аспирант Сколтеха по программе «Науки о жизни» Михаил Скутель.

Авторы отметили, что их работа оказалась возможной благодаря открытому обмену данными и что сразу несколько лабораторий внесли свой равнозначный вклад в получение итогового результата. «Современная биология невозможна без коллабораций и привлечения экспертизы сразу из нескольких областей: так, в нашей работе понадобились методы структурной биологии, биоинформатики, микробиологии и работа с радиоактивной меткой, что зачастую невозможно совместить в рамках одной лаборатории. Без международного сотрудничества и высокой конкуренции, которая крайне стимулировала нашу работу, подготовка подобной публикации вряд ли оказалась бы возможной», — поделился Артём Исаев.

Банки белковых структур: 

• 8UX9 — Burman, N., Belukhina, S., Depardieu, F., Wilkinson, R. A., Skutel, M., Santiago-Frangos, A., ... & Isaev, A. (2024). A virally-encoded tRNA neutralizes the PARIS antiviral defence system. Nature, 1-3.

• 8V45 — Deep, A., Liang, Q., Enustun, E., Pogliano, J., & Corbett, K. D. (2024). Architecture and activation mechanism of the bacterial PARIS defense system. Nature, 1-8.