Bakteriella restriktionsmodifieringssystem är ansvariga för att skydda celler från främmande genetiskt material, till exempel bakteriofager och plasmider. Immunsystem kräver strikt reglering, eftersom bakterier, precis som människor, kan få autoimmuna reaktioner – en attack på sitt eget DNA.
En forskargrupp ledd av Artem Isaev, chef för Metagenome Analysis Laboratory vid Skoltech, studerade ett av de första upptäckta bakteriella immunsystemen, EcoKI, och fann att närvaron av plasmid-DNA i en cell leder till aktivering av restriktionslindring, en inbyggt immundämpningsprogram. Denna effekt har kallats plasmidinducerad restriktionslindring. Det uppstår när plasmider med speciella egenskaper kommer in i cellen, vilket startar en konflikt med intracellulär immunitet. Resultaten presenteras i Nukleinsyraforskning journal.
Plasmider är en form av mobila genetiska element, cirkulära DNA-molekyler som bakterier aktivt utbyter med varandra, vilket leder till att de snabbt sprids över hela befolkningen.
"Upptäckten visade sig vara helt oväntad för oss. Vi studerade ett protein som var tänkt att hämma EcoKI-systemet, men kunde inte förklara uppgifterna. Sedan gissade vi:Kan plasmid-DNA själv vara ansvarig för att undertrycka bakteriell immunitet? Det visade sig att närvaron av en plasmid, som har speciella element (EcoKI-igenkänningsställen) attraherade EcoKI-nukleas till plasmid-DNA, vilket möjliggjorde nedbrytning av detta protein.
"Det här programmet krävs för att skydda cellen mot en oavsiktlig nukleasattack på bakteriekromosomen, men det visade sig att plasmid-DNA också kan fungera som en "svamp" som attraherar EcoKI-nukleas och kanaliserar det till proteolys, vilket helt stänger av bakteriell immunitet. Detta är också skadligt för plasmiden i sig, eftersom cellen blir känslig för faginfektion. Därför antar vi att denna konflikt uppstår oavsiktligt och helt enkelt är en återspegling av komplexiteten hos olika biologiska mekanismer som ibland kan störa varandra, säger Artem. Isaev, ledaren för projektet.
Fynden hjälpte till att få en bättre förståelse av bakteriella rekombinationsprocesser, vilket gör att en enda DNA-molekyl kan utbyta fragment med sin kopia i en cell. Cellen reparerar DNA-brott i bakteriegenomet genom en process av homolog rekombination. Denna process kräver också en speciell sekvens som kallas en Chi-plats. Om denna plats tas bort kan ett dubbelsträngat brott leda till fullständig nedbrytning av den skadade DNA-plasmiden.
"Vi har fastställt att för att utlösa restriktionslindring behöver plasmiden ett Chi-ställe, det vill säga förmågan att aktivt rekombinera. Men under speciella förhållanden, om vi tar bort cellkomponenterna som är ansvariga för den huvudsakliga rekombinationsvägen (RecBCD och RecA) proteiner), kan vi fortfarande observera restriktionslindring.
"Detta tyder på att det finns dolda eller alternativa rekombinationsvägar i bakteriecellen som inte manifesterar sig i närvaro av RecBCD och RecA. Vårt nya modellsystem kommer att hjälpa till att utforska dessa mekanismer", förklarade Mikhail Skutel och Daria Yanovskaya, de ledande författarna. av studien, doktorander vid Skoltechs Life Science-program.
Mer information: Mikhail Skutel et al, RecA-beroende eller oberoende rekombination av plasmid-DNA genererar en konflikt med värdens EcoKI-immunitet genom att lansera restriktionslindring, Nucleic Acids Research (2024). DOI:10.1093/nar/gkae243
Journalinformation: Nukleinsyraforskning
Tillhandahålls av Skolkovo Institute of Science and Technology
