Shkencëtarët zbulojnë një sistem të ri mbrojtës antiviral te bakteret

Bakteret përdorin një sërë strategjish mbrojtëse për të luftuar infeksionin viral dhe disa nga këto sisteme kanë çuar në teknologji novatore, të tilla si modifikimi i gjeneve të bazuara në CRISPR. Shkencëtarët parashikojnë se ka shumë më tepër armë antivirale që nuk janë gjetur ende në botën mikrobike.

Një ekip i udhëhequr nga studiues në Institutin Broad të MIT dhe Harvard dhe Instituti McGovern për Kërkimin e Trurit në MIT ka zbuluar dhe karakterizuar një nga këto sisteme të paeksploruara të mbrojtjes mikrobike. Ata zbuluan se disa proteina në baktere dhe arkea (së bashku të njohura si prokariote) zbulojnë viruset në mënyra çuditërisht të drejtpërdrejta, duke njohur pjesët kryesore të viruseve dhe duke shkaktuar që organizmat njëqelizore të kryejnë vetëvrasje për të shuar infeksionin brenda një komuniteti mikrobik. Studimi është hera e parë që ky mekanizëm është parë te prokariotët dhe tregon se organizmat në të tre fushat e jetës – bakteret, arkeat dhe eukariotët (që përfshijnë bimët dhe kafshët) – përdorin njohjen e modelit të proteinave virale të konservuara për t’u mbrojtur kundër patogjenëve.

“Kjo punë demonstron një unitet të jashtëzakonshëm në mënyrën se si njohja e modeleve ndodh në organizma shumë të ndryshëm,” tha autori i vjetër Feng Zhang, i cili është një anëtar i institutit kryesor në Broad, James dhe Patricia Poitras Profesor i Neuroshkencës në MIT, një profesor i trurit dhe shkencat njohëse dhe inxhinieria biologjike në MIT, dhe një hetues në Institutin McGovern të MIT dhe Institutin Mjekësor Howard Hughes. “Ka qenë shumë emocionuese të integrosh qasjet e gjenetikës, bioinformatikës, biokimisë dhe biologjisë strukturore në një studim për të kuptuar këtë sistem molekular magjepsës.”

Në një studim të mëparshëm, studiuesit skanuan të dhëna mbi sekuencat e ADN-së të qindra mijëra baktereve dhe arkeave, të cilat zbuluan disa mijëra gjene që mbanin nënshkrime të mbrojtjes mikrobike. Në studimin e ri, ata përdorën një pjesë të vogël të këtyre gjeneve që kodojnë enzimat që janë anëtarë të familjes së proteinave STAND ATPase, të cilat në eukariotët janë të përfshirë në përgjigjen e lindur imune.

Tek njerëzit dhe bimët, proteinat STAND ATPase luftojnë infeksionin duke njohur modelet në vetë një patogjen ose në përgjigjen e qelizës ndaj infeksionit. Në studimin e ri, studiuesit donin të dinin nëse proteinat funksionojnë në të njëjtën mënyrë te prokariotët për t’u mbrojtur kundër infeksionit. Ekipi zgjodhi disa gjene STAND ATPase nga studimi i mëparshëm, i dorëzoi ato në qelizat bakteriale dhe i sfidoi ato qeliza me viruse bakterofag. Qelizat iu nënshtruan një reagimi dramatik mbrojtës dhe mbijetuan.

Më pas, shkencëtarët pyetën veten se cila pjesë e bakteriofagut e shkakton atë përgjigje, kështu që ata shpërndanë gjenet virale tek bakteret një nga një. Dy proteina virale shkaktuan një përgjigje imune: portali, një pjesë e guaskës së kapsidës së virusit, e cila përmban ADN virale; dhe terminaza, motori molekular që ndihmon në grumbullimin e virusit duke e shtyrë ADN-në virale në kapsidë. Secila prej këtyre proteinave virale aktivizoi një STAND ATPazë të ndryshme për të mbrojtur qelizën.

Gjetja ishte e habitshme dhe e paprecedentë. Shumica e sistemeve të njohura të mbrojtjes bakteriale funksionojnë duke ndjerë ADN-në ose ARN-në virale, ose stresin qelizor për shkak të infeksionit. Në vend të kësaj, këto proteina bakteriale ndjenin drejtpërdrejt pjesët kryesore të virusit.

Ekipi më pas tregoi se proteinat bakteriale STAND ATPase mund të njohin proteina të ndryshme portale dhe terminale nga fagë të ndryshëm. “Është e habitshme që bakteret kanë këto sensorë shumë të gjithanshëm që mund të njohin të gjitha llojet e kërcënimeve të fagut që mund të hasin,” tha bashkëautori i parë Linyi Gao, një bashkëpunëtor i ri në Shoqërinë e Fellows të Harvardit dhe një ish-student i diplomuar në Zhang. laboratori.

Shkencëtarët zbuluan gjithashtu se proteinat funksionojnë si enzima të endonukleazës së ADN-së që mund të copëtojnë ADN-në e një bakteri dhe të vrasin qelizën për të kufizuar përhapjen e mëtejshme të virusit. Tek njerëzit, në mënyrë të ngjashme, STAND ATPazat dihet se i përgjigjen infeksioneve bakteriale duke shkaktuar vdekjen e programuar të qelizave të qelizave të infektuara. “Është mjaft emocionuese të shohësh një lidhje te prokariotët me një sistem që është gjithashtu brenda nesh,” tha bashkëautori i parë Jonathan Strecker, një studiues postdoktoral në laboratorin Zhang.

Për një vështrim të detajuar se si ATP-azat mikrobiale STAND zbulojnë proteinat virale, studiuesit përdorën mikroskopinë krio-elektronike për të ekzaminuar strukturën e tyre molekulare kur lidhen me proteinat virale. “Duke analizuar strukturën, ne ishim në gjendje t’i përgjigjenim me saktësi shumë pyetjeve se si funksionojnë në të vërtetë këto gjëra,” tha bashkëautori i parë Max Wilkinson, një studiues postdoktoral në laboratorin Zhang.

Ekipi pa që proteina portale ose terminale nga virusi përshtatet brenda një xhepi në proteinën STAND ATPase, me çdo proteinë STAND ATPase që kap një proteinë virale. Proteinat STAND ATPase pastaj grupohen së bashku në grupe prej katër të njohura si tetramere, të cilat bashkojnë pjesët kryesore të proteinave bakteriale të quajtura domene efektore. Kjo aktivizon funksionin e endonukleazës së proteinave, duke copëtuar ADN-në qelizore dhe duke vrarë qelizën.

Tetramerët lidhin po aq fort proteinat virale nga bakteriofagët e tjerë, duke demonstruar se ATP-azat STAND ndjejnë formën tredimensionale të proteinave virale dhe jo sekuencën e tyre. Kjo ndihmon në shpjegimin se si një STAND ATPazë mund të njohë dhjetëra proteina të ndryshme virale. “Pavarësisht sekuencës, të gjitha ato përshtaten si një dorë në një dorezë,” tha Wilkinson.

ATP-azat STAND tek njerëzit dhe bimët funksionojnë gjithashtu duke formuar komplekse me shumë njësi që aktivizojnë funksione specifike në qelizë. “Kjo është pjesa më emocionuese e kësaj pune,” tha Strecker. “Të shohësh këtë në të gjitha fushat e jetës është e paprecedentë.”