Вирусы с гигантскими геномами использовали CRISPR для укрощения конкурентов

Калифорнийские микробиологи обнаружили более 350 бактериофагов (вирусов бактерий) с крупным геномом, в котором закодированы многие элементы системы синтеза белков и ранее неизвестные варианты CRISPR-Cas, сообщается в Nature. Предполагается, что эти вирусы используют систему бактериального иммунитета CRISPR для борьбы с фагами-конкурентами.

Бактериофаги чаще всего извлекают из бактерий, которые можно вырастить в лабораториях, а их круг ограничен. В то же время фаги играют большую роль в регуляции природных экосистем: контролируют численность микроорганизмов, уничтожая их, или, наоборот, повышая их устойчивость к антибиотикам. Тем не менее, про вирусы бактерий «из природы» известно мало.

Кроме того, их изучение затрудняет и то, что в лабораторных исследованиях для выделения бактериофагов часто применяют фильтры с отверстиями диаметром 100 либо 200 нанометров, через которые не проходят клетки, но также могут не пройти и крупные вирусные частицы (скажем, гигантские вирусы амеб имеют диаметр 300 нанометров и более). Вероятно, из-за этого некоторые большие фаги до сих пор не обнаружили.

Поэтому Джиллиан Бэнфилд (Jillian Banfield) и сотрудники ее лаборатории в Калифорнийском университете в Беркли собрали образцы ДНК из озер и рек, горячих источников, различных почв, морских донных отложений, пещер, а также фекалий человека и других животных. Все фрагменты, которые явно не принадлежали археям и их вирусам, самим бактериям, а также эукариотическим (с клетками, имеющими ядро) организмам и их вирусам, отнесли к ДНК фагов.

На основе предполагаемой ДНК бактериофагов исследователи собрали 351 последовательность нуклеотидов. Из них вручную собрали 35 полных фаговых геномов. Остальные несколько десятков, по мнению ученых, получились неполными. Среди этих 35 четыре имели длину больше 630000 пар оснований, а до сих пор самый длинный известный геном бактериофага включал 596000.

В ряде последовательностей ДНК выявили гены, которые обычно управляют синтезом белка: кодируют факторы транскрипции и трансляции, транспортные РНК (нужны для переноса аминокислот к рибосомам) и рибосомальные белки. В самих вирусных частицах нет рибосом, и синтез белка там идти не может. Поэтому ученые предположили, что бактериофаги запускают действие описанных генов в клетке-хозяйке, «взламывая» там процессы транскрипции и трансляции и настраивая их под какие-то свои нужды.

Разновидности гигантских фагов, найденные в фекалиях людей одной из исследованных групп. Фотографий этих вирусов пока не существует, поэтому они все изображены очень похожими на фаг T4. Стрелками показаны возможные взаимодействия вирусов друг с другом, а также между вирусами и компонентами бактериальной клетки

Интереснее всего то, что в некоторых геномах новых фагов нашли компоненты системы CRISPR-Cas, которую бактерии используют для борьбы с вирусами. Фаговая CRISPR-Cas отличалась от бактериальной. В ней, в частности, отыскали новый небольшой белок семейства Cas12. Его назвали CasØ (фи). Бэнфилд и коллеги предполагают, что обнаруженные ими бактериофаги запускают внутри клетки-хозяйки свою систему CRISPR-Cas, чтобы эффективнее уничтожать другие фаги, которые инфицируют ту же клетку.
Учитывая, что бактериофаги с большими геномами обнаружили в самых разных экосистемах и средах, получается, они весьма распространены в природе. Но кроме этого фундаментального факта у результатов работы есть и практическое применение. Вероятно, нетипичные варианты CRISPR-Cas из крупных бактериофагов лягут в основу новых средств редактирования генома.

Хотя строение вирусов проще, чем устройство клеточных организмов, их геномы весьма разнообразны. Совсем недавно бразильские исследователи описали новые ДНК-содержащие вирусы амеб — яравирусы, 90 процентов генов которых не имеет аналогов среди известных белок-кодирующих последовательностей нуклеиновых кислот.

Светлана Ястребова

https://nplus1.ru/