У бактерий известно более полутора сотен систем противовирусной защиты, и число это не окончательное. Между бактериями и вирусами-бактериофагами идёт постоянное соревнование: вирусы, эволюционируя, учатся преодолевать бактериальную защиту, бактерии ищут новые способы с ними справиться. Несколько лет назад была открыта PARIS (phage antirestriction induced system — система, индуцируемая фаговой антирестрикцией; под антирестрикцией понимается способность вирусов преодолевать защиту, которую бактериям дают ферменты рестрикции-модификации). Это обычная противовирусная система, и некоторые фаги научились её обходить. PARIS же представляет собой ответ на фаговые уловки.
Ответ этот самоубийственный для бактерий: относящийся к PARIS фермент под названием AriB разрушает транспортную РНК бактериальной клетки. Транспортные РНК (тРНК) необходимы в синтезе белка: они доставляют аминокислоты в рибосомы — белоксинтезирующие машины. Разным аминокислотам соответствуют разные тРНК. Белки отличаются пропорциями аминокислот, но в любом случае они нужны все. Если уничтожить тРНК хотя бы одной аминокислоты, синтез белка остановится и клетка погибнет, и если в клетке был вирус, он погибнет вместе с ней — в этом смысл работы PARIS. Но некоторые вирусы умеют справляться и с такой системой. У них в геноме появляется ген транспортной РНК, похожей на ту, которую уничтожает фермент AriB. Вирусная тРНК может участвовать в синтезе белка и одновременно достаточно отличается от настоящей клеточной тРНК, чтобы её саму AriB не трогал.
Поскольку систему PARIS открыли недавно, в ней остаётся много неясного. Один из главных вопросов состоит в том, какие клеточные тРНК она разрушает. С одной стороны, есть данные, что система бьёт по тРНК, которая переносит аминокислоту лизин. В этом случае вирусу достаточно иметь аналог лизиновой тРНК, чтобы его бактерия осталась в живых. С другой стороны, некоторые разновидности фагов несут не по одной и даже не по две тРНК: они сумели включить в свой код более двух десятков разных тРНК, то есть почти полный набор, используемый бактериальной клеткой.
Сотрудники Сколковского института науки и технологий вместе с коллегами из Института Пастера и Университета Лотарингии (Франция) изучали устойчивость бактериофага Т5 к PARIS кишечной палочки. Эксперименты проводили со штаммами фага Т5, один из них нёс 24 тРНК, а другой — 13 тРНК. Кроме того, был ещё фаг Т7, у которого вообще не было аналогов тРНК в геноме. Заражая ими кишечные палочки и комбинируя разные фаговые тРНК, исследователи выяснили, что фермент AriB бьёт не по одной, а по трём клеточным тРНК: к той, которая транспортирует лизин, добавились транспортирующие аргинин и аспарагин. В статье в Philosophical Transactions of the Royal Society B обсуждаются особенности работы AriB, в частности то, как он распознаёт тРНК и как их расщепляет. Однако до конца так пока и непонятно, как этот фермент отличает те тРНК, которые он разрушает, от других.
О бактериофагах нередко говорят как об альтернативе антибиотикам: фаг можно настроить против конкретного бактериального вида или штамма, фаги способны уничтожить бактерии с сильной лекарственной устойчивостью, наконец, фаги не причиняют вреда нашим клеткам. Бактериофаги используют в медицине уже сейчас, хотя не очень широко. В этом смысле исследования антивирусных систем бактерий и антиантивирусных уловок самих фагов имеют вполне практическое значение. Кроме того, противовирусные белки бактерий нередко находят широкое применение в генетической инженерии. Примерами могут послужить вышеупомянутые ферменты модификации-рестрикции и белок Cas9 из системы CRISPR-Cas9, благодаря которому в биотехнологии случилась настоящая революция. Как знать, не случится ли чего-то подобного и с белками системы PARIS.
Исследования выполнены при поддержке Российского научного фонда.
