Każde żywe stworzenie na Ziemi musi chronić się przed rzeczami, które wyrządziłyby to krzywdę. Bakterie nie są inne. I pomimo ich względnej prostoty rozmieszczają niezwykle doświadczone strategie obronne przeciwko najeźdźcom wirusowym. Najbardziej znanym jest CRISPR-CAS9, przystosowany do użytku przez ludzi jako pierwsza technika edycji genetycznej zatwierdzonej przez FDA.
W ubiegłym roku naukowcy z Rockefeller's Laboratory of Bacteriology, kierowane przez Luciano Marraffini i w MSKCC's Structural Biology Laboratory, kierowanym przez Dinshaw Patel, badali kluczowe elementy odpornościowe niektórych systemów CRISPR zwanych efektorami CARF. Te nowo odkryte broń przyjmują różne podejścia do osiągnięcia tego samego celu: zatrzymania aktywności komórkowej, która zapobiega rozprzestrzenianiu się wirusa przez resztę populacji bakteryjnej.
W niedawnej publikacji naukowców naukowcy ogłaszają najnowszy efektor Carf, który odkryli, który wymyślili CAT1. Dzięki niezwykle złożonej strukturze molekularnej białko to może wyczerpać metabolit niezbędny do funkcji komórkowej. Pozostawione bez paliwa plany wirusowego najeźdźcy dotyczące kolejnego ataku zostaną zatrzymane.
„Zbiorowa praca naszych laboratoriów ujawnia, jak skuteczne – i różne – te efektory Carf”, mówi Marraffini. „Zakres ich działań molekularnych jest niesamowity”.
Wiele systemów obrony
CRISPR jest mechanizmem adaptacyjnych układów odpornościowych bakterii i innych niektórych organizmów jednokomórkowych, które oferują ochronę przed wirusami, zwanymi fagami. Sześć rodzajów systemów CRISPR działa mniej więcej w ten sam sposób: RNA CRISPR identyfikuje obcy kod genetyczny, który wyzwala enzym CAS w celu pośredniczenia w odpowiedzi immunologicznej, często wycinając materiał najeźdźcy.
Jednak coraz więcej dowodów wskazuje, że systemy CRISPR wdrażają wiele różnych strategii obronnych poza nożyczkami genetycznymi. Laboratorium Marraffini prowadziło wiele tych badań. W szczególności badali klasę cząsteczek w układach CRISPR-CAS10 zwanych efektorami CARF, które są białkami aktywowanymi po zakażeniu faga bakterii.
Uważa się, że odporność na efektor CARF działa poprzez tworzenie niegościnnego środowiska do replikacji wirusowej. Na przykład efektor CAM1 CARF powoduje depolaryzację błony zakażonej komórki, podczas gdy CAD1 wyzwala rodzaj fumigacji molekularnej, zalewając zakażoną komórkę toksycznymi cząsteczkami.
Zamrożenie metaboliczne
W bieżącym badaniu naukowcy chcieli spróbować zidentyfikować dodatkowe efektory CARF. Używali Foldseek, potężnego narzędzia do wyszukiwania homologii strukturalnej, aby znaleźć CAT1.
Odkryli, że CAT1 jest powiadomiony o obecności wirusa przez wiązanie wtórnych cząsteczek posłańca zwanych cyklicznym tetra-adenylanem lub Ca4, które stymulują enzym w celu rozszczepienia niezbędnego metabolitu w komórce zwanej NAD+.
„Po rozszczepionej wystarczającej ilości NAD+ komórka wchodzi w stan wzrostu”-mówi współrzędny autor Christian Baca, absolwent TPCB w laboratorium Marraffini. „Przy przerwie funkcji komórkowej fag nie może już rozmawiać i rozprzestrzeniać się na resztę populacji bakteryjnej. W ten sposób CAT1 jest podobny do CAM1 i CAD1, ponieważ wszystkie zapewniają odporność bakteryjną na poziomie populacji”.
Unikalna złożoność
Ale chociaż jego strategia immunologiczna może być podobna do tych innych efektorów CARF, jej forma nie jest, jako autorka pisarza Puja Majumder, uczony badawczy w laboratorium Patel, ujawniony poprzez szczegółową analizę strukturalną przy użyciu krio-EM.
Odkryła, że białko CAT1 ma zaskakująco złożoną strukturę, w której dimery CAT1 są przyklejone przez cząsteczkę sygnału CA4, tworząc długie włókna po zakażeniu wirusowym i zatrzymują metabolity NAD+ w lepkich kieszeniach cząsteczkowych. „Gdy metabolit NAD+ zostanie rozszczepiony przez włókna CAT1, komórka nie jest dostępna” – wyjaśnia Majumder.
Dodaje jednak, że osobliwość strukturalna białka nie kończy się na tym. „Włókna współdziałają ze sobą, tworząc trygonalne wiązki spiralne, a te wiązki mogą następnie rozszerzyć się, tworząc pięciokątne wiązki spiralne” – mówi. Cel tych składników strukturalnych pozostaje do zbadania.
Niezwykły jest również fakt, że Cat1 często wydaje się działać sam. „Zwykle w systemach CRISPR typu III masz dwie działania, które przyczyniają się do efektu odporności” – mówi Baca. „Jednak większość bakterii kodujących CAT1 wydaje się polegać przede wszystkim na CAT1 ze względu na ich efekt odporności”.
Marraffini mówi, że te odkrycia przedstawiają intrygujące nowe pytania. „Chociaż myślę, że udowodniliśmy duży obraz – że efektory carf są świetne w zapobieganiu replikacji faga – wciąż musimy wiele dowiedzieć się o szczegółach, w jaki sposób to robią. Fascynujące będzie zobaczenie, gdzie ta praca prowadzi nas dalej”.