Принципы распознавания вирусной инфекции абортивными системами противовирусного иммунитета бактерий

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 24-74-10089

НазваниеПринципы распознавания вирусной инфекции абортивными системами противовирусного иммунитета бактерий

Руководитель Исаев Артём Борисович, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования «Сколковский институт науки и технологий» , г Москва

Конкурс №98 - Конкурс 2024 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-110 - Общая и молекулярная микробиология; вирусология

Ключевые слова бактериофаги, противо-вирусный иммунитет, абортивный иммунитет, ABC АТФазы, PARIS, OLD, Tin, FunZ, Ibf, TOPRIM, P2 профаг

Код ГРНТИ34.15.31

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Эволюция микробных сообществ в большой степени определяется взаимодействием с мобильными генетическими элементами. В частности, бактериофаговая инфекция - одна из основных причин гибели бактериальных клеток, которая ежедневно приводит к лизису до 20% бактериальной биомассы в океане. Чтобы противостоять фаговой инфекциям, бактерии приобрели широкий арсенал антивирусных стратегий, и только в последние годы мы стали лучше представлять истинное разнообразие, повсеместную распространённость и эволюцию микробных иммунных систем. Установлено, что некоторые системы врождённого иммунитета эуакариот, такие как cGAS-STING, TIR, гасдермины и вайперины, исходно возникли у бактерий. За последние 5 лет, благодаря биоинформатическому анализу, было описано около 150 типов бактериальных иммунных систем, и предсказаны еще тысячи кластеров, предположительно вовлеченных в противо-фаговую защиту. Таким образом, иммуноассоциированные гены оказались самой большой и одной из самых малоизученных групп в микробном пангеноме. В среднем каждая бактерия кодирует 5-7 различных иммунных систем, причем наиболее распространены "классические" иммунные системы, такие как рестрикция-модификация (Р-М) и CRISPR-Cas. Эти системы обеспечивают первый уровень защиты, расщепляя ДНК вторгшихся мобильных элементов. Однако почти каждая бактерия также кодирует системы абортивного иммунитета в качестве второй линии защиты, которая активируются на более поздних этапах фаговой инфекции, в случае если Р-М и CRISPR-Cas системы не смогли остановить инфекцию. Было показано, что около 60% новых иммунных систем действуют по принципу абортивной инфекции. В случае абортивного ответа, инфицированные клетки подавляют свой собственный метаболизм, чтобы остановить распространение фага на популяционном уровне. Абортивные системы состоят из двух модулей: сенсора инфекции и эффектора, который представляет собой токсин, подавляющий один из основных клеточных процессов при активации. В то время как разнообразие механизмов действия эффекторов стало предметом активных исследований в последние годы, мы гораздо меньше знаем о принципах распознавания фаговой инфекции абортивными иммунными системами. Белки семейства ABC АТФаз являются одними из самых распространенных сенсоров фаговой инфекции и обнаружены в различных системах, таких как PARIS, Gabija, OLD, PrrC, Wadjet, Lamassu, Septu, Retrons, и в некоторых токсин-антитоксиновых модулях, вероятно, участвующих в противо-фаговой защите. Можно предположить, что ABC АТФазы являются универсальным доменом-сенсором, который может быть адаптирован к различным сигналам и впоследствии активировать различные эффекторы, чаще всего нуклеазы семейств TOPRIM и HNH. В данном проекте мы планируем охарактеризовать разнообразие вирусных триггеров, то есть белков, которые взаимодействуют с ABC АТФазными сенсорами широко распространенных абортивных иммунных систем PARIS, Old и новой иммунной системы ABC АТФаза + TOPRIM, открытой в нашей группе. Кроме того, мы сосредоточимся на двух малоизученных системах абортивной инфекции профага P2 - Tin и FunZ. После обнаружения вирусных триггеров мы подтвердим принцип абортивной инфекции и определим мишени нуклеазных эффекторов для этих систем. Чтобы расширить наше понимание принципов распознавания вирусных триггеров системами абортивного иммунитета, мы намерены охарактеризовать структуры белковых комплексов с помощью крио-электронной микроскопии. Эта работа значительно расширит наши представления о принципах активации и токсичности распространенных микробных антифаговых систем.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В рамках исследования был установлен механизм работы системы противовирусного бактериального иммунитета PARIS: данная система формирует неактивный AriAB-комплекс, включающий белок-сенсор с ABC-АТФазным доменом AriA и белок-эффектор с TOPRIM-нуклеазным доменом AriB. При появлении в клетке вирусного белка-триггера происходит его взаимодействие с AriA-сенсором и высвобождение, а также димеризация AriB-эффектора, что приводит к остановке трансляции путем расщепления клеточной тРНК. Нами был установлен полный набор тРНК-мишеней PARIS-системы: лизиновая тРНК является основной мишенью, в то время как AriB способен также атаковать треониновую и аспарагиновую тРНК. Что интересно, некоторые вирусы кодируют собственные варианты тРНК, в частности фаг Т5 кодирует все 3 тРНК-мишени PARIS. Мы показали, что экспрессии вирусных тРНК достаточно для ингибирования PARIS-токсичности и восстановления вирусной инфекции, что позволило впервые показать новую функцию тРНК-молекул в качестве ингибиторов иммунного ответа. Крайне интересным является установление природы триггеров PARIS-системы: первый обнаруженный триггер - белок Ocr фага Т7 - является антирестрикционным и анти-BREX белком, то есть ингибирует иммунные системы "первой линии обороны". Мы предположили, что PARIS является сенсором разнообразных ДНК-мимикрирующих белков и, таким образом, представляет собой систему второй линии защиты, способной остановить инфекцию фагами, способными обходить системы, содержащие нуклеазные модули (R-M, CRISPR-Cas). В рамках проекта была создана коллекция вирусных антииммунных белков, и предварительный анализ позволил выявить новые триггеры PARIS-системы: ДНК-мимикрирующие белки Arn и ArdA, анти-CRISPR белок AcrIE9, а также новые белки фага Т5 с предсказанными ДНК-мимикрирующими свойствами (ORF094, ORF103). Данные белки не являются гомологами, что предполагает наличие других общих свойств, позволяющих им активировать ABC-АТФазный сенсор AriA. Крайне значимым является обнаружение анти-CRISPR белков в качестве триггеров PARIS-системы. Это предполагает, что PARIS может кооперировать не только с R-M и BREX, но также и с CRISPR-Cas системами, позволяя защитить клетку от фагов, кодирующих анти-CRISPR белки. Также в рамках проекта были заклонированы новые варианты систем PARIS и других систем, кодирующих ABC-АТФазный домен в качестве сенсора, что позволит более широко изучить спектр их чувствительности к различным триггерам. В частности, для системы Old профага P2 мы предполагаем активацию интермедиатами репликации вирусной ДНК, и ряд in vivo данных поддерживают эту гипотезу. Мы показали, что Old-токсичность активируется в клетках с делецией RecBCD-компонентов или при экспрессии RecBCD-ингибиторов, но в то же время эта токсичность может быть компенсирована экспрессией других нуклеаз-хеликаз AddAB или RecET, а также что некоторые фаги могут обойти активацию Old-системы за счет аттенуации репликации. Для другой системы с ABC-АТФазным сенсором, IbfA (R64), также удалось отобрать фагов-эскейперов, которые приобрели мутации в нуклеазе A1, что также предполагает активацию IbfA-системы фрагментами ДНК. Гипотезы об активации Old и IbfA систем ДНК млолекулами будут далее проверены в рамках проекта. Наконец, был изучен белок Tin профага P2, который обуславливает устойчивость к инфекции фагом Т4. Мы показали, что Tin работает по абортивному принципу и является PDDEXK-нуклеазой, активируемой при формировании комплекса с gp32 SSB-белком фага Т4, что опровергает сформулированную ранее модель о иммунном механизме за счет связывания вирусного SSB-белка. Представляется интересным установить, как именно взаимодействие с gp32 активирует нуклеазную активность белка Tin.

Публикации

1. Бурман Н, Белухина С, Депардье Ф, Вилкинсон Р, Скутель М, Сантяьго-Франгос А, ...Бикард Д, Виденхефт Б, Исаев А A virally encoded tRNA neutralizes the PARIS antiviral defence system Nature, Nature, 634(8033), 424-431. (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07874-3

2. Ярема П, Котовская О, Скутель М, Дробязко А., ... Исаев А Sxt1, Isolated from a Therapeutic Phage Cocktail, Is a Broader Host Range Relative of the Phage T3 Viruses, Viruses 2024, 16(12), 1905 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.3390/v16121905

3. Алена Дробязко, Мифанви Адамс, Михаил Скутель, Кристина Потехина, Оксана Котовская, Анна Трофимова, Михаил Матлашов, Дария Яцеленко, Карен Максвелл, Тим Бловер, Константин Северинов, Дмитрий Гиляров, Артем Исаев Molecular basis of foreign DNA recognition by BREX anti-phage immunity system Nature Communications (год публикации - 2025)
10.1038/s41467-025-57006-2