В прошлом году исследователи из Лаборатории бактериологии Рокфеллера, возглавляемой Лучано Марраффини, и лаборатории структурной биологии MSKCC, возглавляемой Диншоу Пателем, изучали ключевые иммунные компоненты некоторых систем CRISPR, называемых CARF-эффекторами. Это недавно открытое оружие использует различные подходы к достижению одной и той же цели: подавлению клеточной активности, что предотвращает распространение вируса среди остальной популяции бактерий.

В недавней публикации в Science ученые анонсируют обнаруженный ими новейший CARF-эффектор, который они назвали Cat1. Благодаря необычайно сложной молекулярной структуре этот белок может разрушать метаболит, необходимый для функционирования клеток. Оставшись без топлива, планы вирусного захватчика по дальнейшему наступлению терпят крах.

"Коллективная работа наших лабораторий показывает, насколько эффективны - и отличаются друг от друга - эти CARF-эффекторы", - говорит Марраффини. "Диапазон их молекулярной активности просто поразителен".

Многочисленные системы защиты

CRISPR - это механизм в адаптивных иммунных системах бактерий и других определенных одноклеточных организмов, который обеспечивает защиту от вирусов, называемых фагами. Шесть типов систем CRISPR работают примерно одинаково: РНК CRISPR идентифицирует чужеродный генетический код, который запускает фермент cas для опосредования иммунного ответа, часто отсекая материал-захватчик.

Но все большее количество свидетельств указывает на то, что системы CRISPR используют широкий спектр защитных стратегий, выходящих за рамки генетических ножниц. Лаборатория Марраффини возглавила большую часть этих исследований. В частности, они изучали класс молекул в системах CRISPR-Cas10, называемых CARF-эффекторами, которые представляют собой белки, активирующиеся при заражении бактерии фагом.

Считается, что эффекторный иммунитет CARF работает путем создания неблагоприятной среды для репликации вируса. Например, эффектор Cam1 CARF вызывает деполяризацию мембраны инфицированной клетки, в то время как Cad1 запускает своего рода молекулярную фумигацию, наводняя инфицированную клетку токсичными молекулами.

Метаболическая заморозка

В рамках текущего исследования исследователи хотели попытаться идентифицировать дополнительные эффекторы CARF. Они использовали Foldseek, мощный инструмент поиска структурной гомологии, чтобы найти Cat1.

Они обнаружили, что Cat1 предупреждается о присутствии вируса путем связывания вторичных молекул-мессенджеров, называемых циклическим тетрааденилатом, или CA4, которые стимулируют фермент расщеплять важный метаболит в клетке, называемый NAD⁺.

"Как только расщепляется достаточное количество NAD⁺, клетка переходит в состояние остановки роста", - говорит соавтор Кристиан Бака, аспирант TPCB в лаборатории Марраффини. "Когда клеточная функция приостановлена, фаг больше не может размножаться и распространяться на остальную популяцию бактерий. Таким образом, Cat1 похож на Cam1 и Cad1 в том смысле, что все они обеспечивают бактериальный иммунитет на популяционном уровне."

Уникальная сложность

Но в то время как его иммунная стратегия может быть похожа на эти другие CARF-эффекторы, его форма - нет, как выяснил один из первых авторов Пуджа Маджумдер, научный сотрудник Лаборатории Пателя, с помощью детального структурного анализа с использованием крио-ЭМ.

Она обнаружила, что белок Cat1 имеет удивительно сложную структуру, в которой димеры Cat1 склеиваются сигнальной молекулой CA4, образуя длинные нити при вирусной инфекции, и удерживают метаболиты NAD⁺ в липких молекулярных карманах. "Как только метаболит NAD⁺ расщепляется нитями Cat1, он становится недоступен для использования клеткой", - объясняет Маджумдер.

Но исключительная структурная сложность белка на этом не заканчивается, добавляет она. "Нити взаимодействуют друг с другом, образуя тригональные спиральные пучки, и затем эти пучки могут расширяться, образуя пятиугольные спиральные пучки", - говорит она. Назначение этих структурных компонентов еще предстоит исследовать.

Также необычным является тот факт, что Cat1 часто, кажется, работает в одиночку. "Обычно в системах CRISPR III типа у вас есть два вида активности, которые способствуют эффекту иммунитета", - говорит Бака. "Однако большинство бактерий, которые кодируют Cat1, по-видимому, в первую очередь полагаются на Cat1 в своем иммунном эффекте".

Марраффини говорит, что эти результаты ставят новые интригующие вопросы. "Хотя я думаю, что мы доказали общую картину - что CARF-эффекторы отлично предотвращают репликацию фагов, - нам еще многое предстоит узнать о деталях того, как они это делают. Будет интересно посмотреть, куда эта работа приведет нас дальше".