Mobile genetiske elementer kan utilsigtet undertrykke bakterielle immunsystemer, viser forskning

Bakterielle restriktionsmodifikationssystemer er ansvarlige for at beskytte celler mod fremmed genetisk materiale, for eksempel bakteriofager og plasmider. Immunsystemer kræver streng regulering, da bakterier ligesom mennesker kan have autoimmune reaktioner - et angreb på deres eget DNA.

En forskergruppe ledet af Artem Isaev, lederen af ​​Metagenome Analysis Laboratory ved Skoltech, studerede et af de første opdagede bakterielle immunsystemer, EcoKI, og fandt ud af, at tilstedeværelsen af ​​plasmid-DNA i en celle fører til aktivering af restriktionslindring, en indbygget immunundertrykkelsesprogram. Denne effekt er blevet kaldt plasmid-induceret restriktionslindring. Det opstår, når plasmider med særlige egenskaber kommer ind i cellen, hvilket lancerer en konflikt med intracellulær immunitet. Resultaterne er præsenteret i Nukleinsyreforskning journal.

Plasmider er en form for mobile genetiske elementer, cirkulære DNA-molekyler, som bakterier aktivt udveksler med hinanden, hvilket fører til deres hurtige spredning i hele befolkningen.

"Opdagelsen viste sig at være fuldstændig uventet for os. Vi studerede et protein, der skulle hæmme EcoKI-systemet, men var ikke i stand til at forklare dataene. Så gættede vi:Kunne plasmid-DNA'et selv være ansvarlig for at undertrykke bakteriel immunitet? Det viste sig, at tilstedeværelsen af ​​et plasmid, som har særlige elementer (EcoKI-genkendelsessteder) tiltrak EcoKI-nuklease til plasmid-DNA, hvilket muliggjorde nedbrydning af dette protein.

"Dette program er påkrævet for at beskytte cellen mod et utilsigtet nukleaseangreb på det bakterielle kromosom, men det viste sig, at plasmid-DNA også kan tjene som en 'svamp', der tiltrækker EcoKI-nuklease og kanaliserer den til proteolyse, som fuldstændig slår bakteriel immunitet fra. Dette er også skadeligt for plasmidet selv, da cellen bliver følsom over for faginfektion. Derfor antager vi, at denne konflikt opstår utilsigtet og blot er en afspejling af kompleksiteten af ​​forskellige biologiske mekanismer, der nogle gange kan forstyrre hinanden. Isaev, lederen af ​​projektet.

Resultaterne hjalp med at opnå en bedre forståelse af bakterielle rekombinationsprocesser, som gør det muligt for et enkelt DNA-molekyle at udveksle fragmenter med sin kopi i en celle. Cellen reparerer DNA-brud i bakteriegenomet gennem en proces med homolog rekombination. Denne proces kræver også en speciel sekvens kaldet et Chi-sted. Hvis dette sted fjernes, kan et dobbeltstrenget brud føre til fuldstændig nedbrydning af det beskadigede DNA-plasmid.

"Vi har fastslået, at for at udløse restriktionslindring har plasmidet brug for et Chi-sted, det vil sige evnen til aktivt at rekombinere. Men under særlige forhold, hvis vi fjerner de cellekomponenter, der er ansvarlige for den store rekombinationsvej (RecBCD og RecA) proteiner), kan vi stadig observere restriktionslindring.

"Dette tyder på, at der er skjulte eller alternative rekombinationsveje i bakteriecellen, som ikke manifesterer sig i nærvær af RecBCD og RecA. Vores nye modelsystem vil hjælpe med at udforske disse mekanismer," forklarede Mikhail Skutel og Daria Yanovskaya, de førende forfattere af studiet, kandidatstuderende på Skoltechs Life Science-program.

Flere oplysninger: Mikhail Skutel et al., RecA-afhængig eller uafhængig rekombination af plasmid-DNA genererer en konflikt med værtens EcoKI-immunitet ved at lancere restriktionslindring, Nucleic Acids Research (2024). DOI:10.1093/nar/gkae243

Journaloplysninger: Nukleinsyreforskning

Leveret af Skolkovo Institute of Science and Technology