Исследователи из Центра Джона Иннеса пролили свет на механизм, посредством которого бактерии обмениваются генетическим материалом, включая гены, ответственные за устойчивость к противомикробным препаратам. Этот процесс, известный как горизонтальный перенос генов, является ключевым фактором в глобальном распространении УПП, представляющей серьёзную угрозу для общественного здравоохранения. Учёные сосредоточили внимание на изучении агентов переноса генов (GTA) — вирусоподобных частиц, которые бактерии используют для передачи фрагментов ДНК между клетками.
Вопреки своему происхождению от древних вирусов, эти частицы не являются внешними патогенами. Напротив, бактерии, по сути, приручили их, взяв под собственный контроль и превратив в инструмент для генетического обмена. GTA функционируют как микроскопические курьеры, забирая случайные сегменты ДНК из клетки-донора и доставляя их соседним бактериям, что позволяет последним быстро приобретать новые свойства, в том числе резистентность к антибиотикам.
Механизм клеточного «взрыва»: как бактерии выпускают генетических курьеров
Долгое время оставалось неясным, каким образом частицы GTA, собранные внутри клетки, высвобождаются в окружающую среду. Критическим этапом этого процесса является лизис, или разрыв клеточной оболочки бактерии-хозяина. Новое исследование, результаты которого были обнародованы в научном журнале Nature Microbiology, раскрывает молекулярный аппарат, управляющий этим самоуничтожением.
Применив метод скрининга на основе глубокого секвенирования к бактерии-модели Caulobacter crescentus, учёные идентифицировали кластер из трёх генов, обозначенный как LypABC. Этот кластер кодирует производство специфических бактериальных белков, которые и запускают процесс лизиса. Эксперименты продемонстрировали, что удаление генов lypABC полностью блокирует способность клеток разрываться и высвобождать частицы GTA. И наоборот, искусственная сверхактивация этой системы приводила к массовой гибели клеток в результате лизиса. Таким образом, система LypABC была определена как центральный регуляторный узел, контролирующий ключевой этап распространения генетической информации.
Флуоресцентная микроскопия, показывающая бактериальные клетки C. crescentus, продуцирующие частицы GTA (клетки были заявлены так, чтобы светиться зелёным при производстве GTA). Справа: томограмма криоэлектронной микроскопии, называющая пока «поперечное сечение» одной клетки C. crescentus, производной частиц GTA (пурпурный и жёлтый). Слои бактериальной активности показаны синим, голубым и зелёным цветом. Видна гранула для хранения питательных веществ (серая). Рибосомы (белковые фабрики) имеют оранжевый цвет. Фото: доктор Эмма Бэнкс.
Открытие механизма, позволяющего бактериям намеренно разрушать себя для распространения генов, в том числе обеспечивающих устойчивость к лекарствам, углубляет понимание эволюции микробов. Это знание может в перспективе послужить основой для разработки новых стратегий, направленных на сдерживание распространения антибиотикорезистентности путём вмешательства в процесс высвобождения GTA.
этим процессом.
Иммунная система, перепрофилированная для переноса генов
Одним из наиболее удивительных открытий является то, что LypABC очень напоминает бактериальную антифаговую иммунную систему. Он содержит белковые компоненты, обычно связанные со связью вирусов. Однако в данном случае система, по-видимому, была перепрофилирована, чтобы помочь высвободить частицы GTA и обеспечить перенос генов.
Эта работа, проведенная в Великобритании с Йоркским университетом и Институтом Роуленда в Гарварде, показывает, что бактерии могут неожиданным образом повторно использовать любые биологические системы.
Жесткое регулирование, необходимое для выживания
Исследователи также обнаружили регулятор белка, который помогает поддерживать активность GTA под строгим контролем. Эта регуляция имеет решающее значение, поскольку неправильная активация LypABC может быть очень токсичной для бактериальных клеток.
Показав, что на самом деле гибкими могут быть бактериальные системы, исследование дает более глубокое понимание того, как гены перемещаются между клетками. Этот процесс играет решающую роль в распространении устойчивости к антибиотикам.
Новые подсказки в Бразилии с устойчивостью к антибиотикам
Первый автор исследования доктор Эмма Бэнкс, научный сотрудник Западной комиссии выставки 1851 года, сказала: «Что особенно интересно, так это то, что LypABC выглядит как иммунная система, однако бактерии используют ее для высвобождения частиц GTA. Это предполагает, что иммунная система может быть перепрофилирована, чтобы облегчить бактериям распространение ДНК друг с другом — процесс, который может способствовать распространению устойчивости к антибиотикам».
Следующий шаг — понять, как активируется система LypABC и как она контролирует разрыв бактериальных клеток с высвобождением частиц GTA.
Исследования пролили новый свет на врагов, ставших союзниками, которые позволяют бактериям образовываться гены, в том числе устойчивостью к противомикробным препаратам (УПП).
Открытие, которое устраняет наше понимание основного глобального вреда для здоровья, связанного с УПП, появилось, когда исследователи Центра Джона Иннесы исследовали любопытные явления, связанные с агентами переноса генов (GTA).
Эти частицы, несущие гены, похожи на бактериофаги (вирусы, поражающие бактерии), но они были одомашнены из древних вирусов и нашли полезное применение под контролем бактериальной клетки-хозяина.
Действуя как курьеры, они захватывают порции бактериальной ДНК-хозяина и доставляют своим соседям бактериям. Это «самоотверженное» совместное использование генов, известное как гены горизонтального переноса, может быстро распространять полезные черты, включая гены, которые обеспечивают устойчивость к антибиотикам, используемым для оценки уровня.
Важнейшим этапом жизни GTA является лизис клетки-хозяина: разрушение клетки-хозяина с высвобождением частиц GTA, упакованных ДНК. Раньше было неясно, как частицы GTA покидают свои бактериальные клетки-хозяева.
В этом производстве, опубликованном в журнале Nature Microbiology, , использовался метод скрининга на основе глубокого секвенирования для определения генов, важных для функции GTA, в модели бактериальной Caulobacter crescentus.
Обнаружен трехгенный контрольный центр LypABC, кодирующий бактериальные белки. Когда эти гены lypABC были удалены, бактерии больше не смогли лизировать и высвободить частицы GTA. Напротив, за счет сверхэкспрессии концентратора lypABC они получили очень высокую долю лизирующих клеток. В ходе этих экспериментов идентифицировали LypABC как механизм контроля GTA-опосредованного лизиса клетки.
Удивительно, но LypABC напоминает бактериальную антифаговую иммунную систему, поскольку содержит белковые домены, которые обычно необходимы для защиты от вирусов. Однако совместные усилия Центра Джона Иннеса, Йоркского университета и Института Роуленда в Гарварде позволяют предположить, что его перепрофилировали на высвобождение частиц GTA для переноса генов.
Они также идентифицировали регулятор белка, который необходим для строгого контроля как активации GTA, так и GTA-опосредованного лизиса. Этот контроль важен, поскольку неправильная регуляция LypABC очень токсична для бактериальных клеток.
Подчеркивая пластичность бактериальных доменов, исследование расширяет фундаментальные знания о том, как происходит перенос генов между бактериальными клетками, и предлагает важный ключ к пониманию того, как происходит УПП.
Первый автор исследования доктор Эмма Бэнкс, научный сотрудник военной комиссии выставки 1851 года, сказала: «Что особенно интересно, так это то, что LypABC выглядит как иммунная система, однако бактерии используют ее для высвобождения частиц GTA. Это предполагает, что иммунная система может быть перепрофилирована, чтобы облегчить бактериям распространение ДНК друг с другом — процесс, который может способствовать распространению устойчивости к антибиотикам».
Следующее постепенное исследование приведет к тому, что активируется центр управления LypABC и как он действует, контролируя разрыв бактериальных клеток и высвобождение частиц GTA.
«Бактериальная CARD-NLR-подобная иммунная система контролирует высвобождение агентов переноса генов», — говорит он. проявления в «Природная микробиология».