Vilniaus universiteto (VU) Gyvybės mokslų centro (GMC) tyrėjai „Nature“ grupės žurnale „Cell Research“ išspausdintame straipsnyje atskleidė išsamų SPARDA – bakterinės gynybos nuo virusų sistemos – veikimo mechanizmą. Atradimas žymi svarbų pokytį siekiant išsiaiškinti tokios rūšies bakterijų imuniteto strategijas.
Pasak tyrimo vadovo, vyriausiojo GMC mokslo darbuotojo dr. Mindaugo Zarembos, šis darbas leidžia daug tiksliau suprasti bakterijų imuniteto logiką – kaip atpažinus užpuoliką (pvz., bakteriofagą – bakterijas infekuojantį virusą) struktūriniai SPARDA baltymų pokyčiai pavirsta gynybine reakcija. Tokios žinios yra svarbios tiek fundamentiniu požiūriu, tiek kuriant naujas biotechnologijas.
Išaiškintas apsaugos mechanizmas
Bakterijos ir bakteriofagai jau milijardus metų dalyvauja nenutrūkstamose ginklavimosi varžybose. Fagai į ląstelę „sušvirkščia“ savo genetinę medžiagą, perima jos išteklius, dauginasi ir sunaikina šeimininkę.
Evoliucija privertė bakterijas kurti vis sudėtingesnius gynybos būdus, todėl šiandien žinome beveik du šimtus skirtingų apsaugos sistemų.
Vis dėlto iki galo suprastos yra tik kelios, pavyzdžiui, restrikcijos–modifikacijos sistemos ar CRISPR-Cas, kurios tapo genų inžinerijos ir genomo redagavimo įrankiais. Dauguma kitų, tarp jų ir SPARDA, iki šiol buvo menkai ištirtos.
„SPARDA (angl. Short Prokaryotic Argonaute, DNase associated) įdomi tuo, kad jos aktyvavimas lemia tolesnį bakterijos likimą – ji sustabdo viruso plitimą bakterijų populiacijoje paaukodama pačią ląstelę šeimininkę. Norint suprasti šią savižudišką, bet populiaciją saugančią logiką, būtina tiksliai žinoti, kaip ląstelė priima šį sprendimą“, – pasakoja dr. M. Zaremba.
Pasak biochemiko, šis tyrimas būtent ir atskleidė, kaip veikia SPARDA: nuo užpuoliko (bakteriofago ar plazmidės) susintetinto RNR fragmento atpažinimo iki gynybos programos įjungimo.
Šį mechanizmą ilgą laiką buvo galima tik numanyti, tačiau nebuvo aišku, kokie konkretūs struktūriniai pokyčiai SPARDA baltymuose jį lemia.
Gynybą įjungiantys baltymai argonautai
„SPARDA aktyvacija prasideda nuo Argonaute baltymo. Jo pavadinimas siejasi su graikų mitologijos argonautais – didvyriais, lydėjusiais Jasoną kelionėje Argo laivu ieškoti Aukso vilnos.
Kaip sufleruoja terminas, Argonaute baltymai ląstelėje tarsi „ieško“ svetimos genetinės medžiagos. Jie atpažįsta nedidelį viruso RNR fragmentą bakterijos viduje. Tačiau vien aptikimo neužtenka – tai dar ne pati gynybos reakcija, o tik signalas, kad ląstelėje yra kažkas svetimo“, – aiškina VU mokslininkas.
Pasak jo, tai, kas nutinka toliau, ilgą laiką buvo pagrindinė SPARDA mįslė. Tačiau išsamūs tyrimai tiksliai parodė, kaip šis pirminis signalas virsta galinga gynybine reakcija, nulemiančia užkrėstos ląstelės žūtį.
„Argonaute baltyme nustatėme struktūrinį regioną – beta relę, kuri taip pavadinta dėl panašumo į elektros relę, turinčią dvi būsenas. Beta relė atlieka molekulinio signalo atpažinimo ir perdavimo funkciją. Kai nėra viruso infekcijos, beta relė yra išjungtos (OFF) būsenos.
Atpažinus viruso infekciją, beta relėje įvyksta konformaciniai pokyčiai (perėjimas į įjungtą būseną – ON), kurie perduodami į priešingoje baltymo pusėje esantį paviršių, o dėl pastarojo konformacinio pokyčio baltymas gali sąveikauti su kitais tokiu pačiu būdu aktyvuotais Argonaute baltymais.
Tada aktyvuoti baltymai pradeda jungtis į filamentus – ilgas, spirales primenančias struktūras. Taigi pavieniai aktyvuoti baltymai kooperuojasi sudarydami funkcinę megastruktūrą“, – pasakoja dr. M. Zaremba.
Pašnekovas pabrėžia, kad būtent filamentinė forma yra aktyvioji SPARDA būsena. Joje baltymai veikia nebe pavieniui, o kaip kooperatyvus kompleksas, gebantis greitai ir veiksmingai ardyti DNR, kuri yra tiek užpuoliko (pvz., viruso), tiek šeimininko (bakterijos) genetinė medžiaga. Taigi žūsta abu – šeimininkas ir užpuolikas. Todėl SPARDA reakcija yra tokia radikali.
„Be to, reikšminga ir tai, kad mūsų tyrimas parodė, jog beta relės skatinamas signalų perdavimas būdingas ne vien SPARDA sistemoms.
Analogišką veikimą aptikome ir kituose prokariotiniuose Argonaute baltymuose, todėl atrastas principas yra universalus“, – teigia dr. M. Zaremba.
Savižudiška strategija populiacijos labui
Pasak biochemiko, nors SPARDA mechanizmas iš pirmo žvilgsnio atrodo paradoksalus, evoliuciškai tai – ypač veiksminga apsauga. Įjungusi gynybos režimą, sistema sunaikina ne tik įsibrovėlio – bakteriofago – genetinę medžiagą, bet ir pačios bakterijos DNR.
Pavienė bakterija lyg pasirenka pralaimėti mūšį, kad būtų laimėtas karas – viena ląstelė žūsta, tačiau virusas nebegali plisti į likusią populiaciją.
„Tai savotiškas ląstelinis altruizmas – vienos ląstelės žūtis sustabdo infekciją ir apsaugo likusią bendruomenę“, – aiškina dr. M. Zaremba. Ši strategija nėra chaotiška ar atsitiktinė.
SPARDA suveikia tik tada, kai Argonaute baltymas patvirtina, kad ląstelėje yra viruso genetinės medžiagos. Tik po šio labai specifinio signalo baltymai ima kurti filamentus ir koordinuotai sunaikina tiek viruso, tiek šeimininkės DNR. Taip išvengiama klaidingo reagavimo, kuris neinfekuotai ląstelei būtų pražūtingas.
Šis mechanizmas, nulemiantis užkrėsto šeimininko žūtį, priklauso vadinamajai abortyvios infekcijos strategijai, kurią naudoja ir daugelis kitų apsaugos sistemų.
SPARDA atveju sprendimas žūti yra itin tiksliai reguliuojamas ir molekuliniu lygiu pagrįstas aiškia signalų perdavimo seka. Tai leidžia bakterijoms pasiekti subtilią pusiausvyrą tarp savisaugos ir bendruomenės išlikimo – ir būtent tai daro SPARDA tokią įdomią tiek fundamentinei biologijai, tiek kuriant naujas biotechnologijas.
Į priekį veda pritaikomumo galimybės
„Bakterijų apsaugos sistemų tyrimai plėtojami nepaprastai sparčiai, todėl dirbdami nuolat jautėmės globalių lenktynių dalimi. Kiekvienas išaiškintas mechanizmas čia svarbus – tiek mokslui, tiek praktiškai pritaikomoms naujovėms“, – pasakoja dr. M. Zaremba.
Maisto pramonėje tokios žinios leidžia apsaugoti fermentacijai naudojamas bakterijas nuo fagų atakų – o tai gali lemti, ar bus išsaugota visa sūrio ar jogurto partija. Biotechnologijose SPARDA gali būti naudinga kuriant tikslius nukleorūgščių aptikimo įrankius, nes ši sistema itin specifiškai atpažįsta viruso RNR.
Medicinoje, kur sparčiai didėja bakterijų atsparumas antibiotikams, vis daugiau dėmesio skiriama fagų terapijai – alternatyvai, galinčiai padėti gydyti sudėtingas infekcijas.
Norint, kad tokios terapijos būtų veiksmingos, būtina suprasti, kokiais mechanizmais bakterijos ginasi nuo virusų. SPARDA veikimo išaiškinimas leidžia geriau numatyti, kurios bakterijos gali būti atsparios fagams, ir padeda kurti labiau pritaikytas terapines strategijas.
„Jeigu norime kurti bakteriofagus terapijai, turime suprasti, kokius gynybos mechanizmus bakterijos naudoja. Kitaip tariant, nežinodami priešų arsenalo, negalime parengti veiksmingo gynybos plano“, – apibendrina pašnekovas.
Komanda, atskleidusi SPARDA dėlionę
SPARDA tyrimuose dalyvavo gausi ir įvairi VU GMC mokslininkų komanda: bioinformatikai prof. Česlovas Venclovas, dokt. Simonas Ašmontas, Algirdas Grybauskas; biochemikai dr. Evelina Zagorskaitė, dr. Paulius Toliušis, dr. Arūnas Šilanskas, dokt. Edvinas Jurgelaitis, dokt. Ugnė Tylenytė; imunologė Indrė Dalgėdienė; struktūrinius tyrimus atlikusi dr. Elena Manakova, pavienių molekulių bandymus vykdę dr. Marijonas Tutkus, dokt. Aurimas Kopūstas.
Tyrimo vadovas dr. M. Zaremba sako, kad, siekiant perprasti „priešo arsenalą“, prireikė itin plataus metodologinio žvilgsnio: „Bioinformatikos žinovai, panaudodami neįprastą baltymų struktūrų analizės būdą, nustatė beta relės struktūrinį motyvą. Biochemikai ištyrė, kaip šie baltymai atpažįsta virusinius taikinius ir aktyvuojasi.
Pavienių molekulių tyrimo būdai leido stebėti SPARDA filamentų susidarymą esamu laiku, o rentgeno kristalografija ir kriogeninė elektroninė mikroskopija (cryo-EM) suteikė galimybę pamatyti tikslų SPARDA baltymo atomų vaizdą – kaip atrodo baltymas „ramybės“ būsenos ir kai įsijungia jo gynybos režimas.“
Tyrimus finansavo Lietuvos mokslo taryba (LMTLT) (S-MIP-24-40, S-MIP-24-58, S-MIP-23-131), „Horizon Europe“ HORIZON-MSCA-2021-SE-01 projektas FLORIN (101086142), CPVA (01.2.2-CPVA-V-716-01-0001), iNEXT (653706), Vilniaus universiteto Mokslo skatinimo fondas (MSF-JM-20/2023, MSF-JM-05/2024).
