Oamenii de ştiinţă au descoperit un nou tip de reacţie de apărare folosită de unele bacterii în cadrul sistemului CRISPR. Este vorba despre o proteină care, atunci când celula bacteriană este infectată de un virus, opreşte funcţionarea normală a metabolismului celular. În acest fel, virusul nu mai are resursele necesare pentru a se înmulţi şi a se răspândi. Această descoperire deschide noi perspective în biologia moleculară, imunologie şi, posibil, în tratamentele viitoare pentru infecţii virale rezistente, cu implicaţii şi în imunoterapie.
Toate fiinţele vii, de la animale la cele mai mici microorganisme, au nevoie de mecanisme de protecţie care să le protejeze de lucrurile care le-ar putea face rău.
Bacteriile nu fac excepţie. Şi, în ciuda simplităţii lor relative, ele folosesc strategii de apărare remarcabil de inteligente împotriva invadatorilor virali.
Unul dintre cele mai cunoscute instrumente de apărare este sistemul CRISPR-Cas9, pe care oamenii de ştiinţă l-au transformat într-o tehnologie revoluţionară de editare genetică, prima de acest fel aprobată de autorităţile de reglementare din domeniul sănătăţii.
În ultimul an, echipe de cercetători de la Universitatea Rockefeller şi de la Centrul de Cercetare Memorial Sloan Kettering (MSKCC) s-au concentrat asupra complexităţii funcţionale a acestui sistem de apărare microbian CRISPR, evidenţiind mecanisme avansate prin care bacteriile îşi protejează integritatea celulară în faţa infecţiilor virale.
Cercetătorii au studiat un grup special de proteine imune, cunoscute sub numele de efectori CARF. Aceste instrumente moleculare ajută bacteriile să oprească funcţionarea celulelor infectate, împiedicând astfel răspândirea virusurilor către celulele vecine.
Într-un studiu, recent publicat în revista Science, cercetătorii descriu un nou efector puternic CARF, pe care l-au denumit Cat1. Ceea ce îl face atât de eficient este structura sa neobişnuit de complexă. Cat1 ţinteşte şi distruge o moleculă esenţială pentru funcţionarea celulei.
În absenţa acestui „combustibil” vital, virusul invadator este blocat şi nu îşi mai poate continua atacul.
„Arătăm cât de eficiente şi diferite pot fi aceste proteine CARF. Gama de acţiuni moleculare este impresionantă”, a declarat Luciano Marraffini, care conduce Laboratorul de Bacteriologie al Rockefeller, citat într-un comunicat.
Multiple sisteme de apărare
CRISPR este un mecanism natural prin care bacteriile şi alte organisme unicelulare îşi dezvoltă o formă de imunitate adaptivă, capabilă să recunoască şi să neutralizeze virusurile (bacteriofagi) care le-au infectat anterior.
Cele şase tipuri de sisteme CRISPR funcţionează în mod similar: o moleculă de ARN CRISPR identifică un cod genetic străin şi activează o enzimă cas care declanşează un răspuns imunitar, pentru eliminarea materialului genetic invadator.
Totuşi, un număr tot mai mare de dovezi sugerează că sistemele CRISPR utilizează o varietate mai largă de strategii de apărare, dincolo de aceste „foarfece genetice”.
Laboratorul lui Marraffini este lider în această direcţie de cercetare. În mod special, echipa sa a investigat o clasă de molecule din sistemele CRISPR-Cas10, cunoscute sub numele de efectori CARF. Acestea sunt proteine care se activează în momentul în care o bacterie este infectată de un fag.
Sistemul de imunitate al efectorilor CARF funcţionează prin crearea unui mediu ostil replicării virale.
De exemplu, efectorul Cam1 produce depolarizarea membranei celulei infectate, iar Cad1 declanşează o formă de „fumigene moleculare”, inundând celula cu molecule toxice.
Blocaj metabolic indus
În studiul de faţă, cercetătorii au vrut să identifice şi alţi efectori CARF. Ei au utilizat Foldseek, un instrument puternic de căutare a omologiilor structurale, pentru a descoperi Cat1.
Ei au constatat că acest Cat1 este activat de prezenţa virusului prin legarea unei molecule mesager secundare numită tetra-adenilat ciclic (cA4), care stimulează enzima să distrugă o moleculă metabolică numită NAD+, esenţială pentru producerea de energie în celule, repararea ADN-ului şi menţinerea echilibrului metabolic.
Aceasta este o substanţă chimică indispensabilă pentru funcţionarea normală a celulelor, fiind implicată în procesele fundamentale care susţin viaţa, cum ar fi producerea de energie, sinteza componentelor celulare şi reglarea enzimelor.
NAD+ (nicotinamid-adenin-dinucleotid/dinucleotida de nicotinamidă şi adenină) este o coenzimă esenţială în metabolism, deoarece ajută la producerea de energie prin reacţii de oxidare-reducere (transfer de electroni) în respiraţia celulară, susţine repararea ADN-ului şi alte procese celulare esenţiale, fiind necesară pentru funcţionarea enzimelor implicate în menţinerea homeostaziei celulare. Fără NAD+, celula nu îşi poate desfăşura procesele vitale şi, practic, „îngheaţă” din punct de vedere funcţional.
„Odată ce o cantitate suficientă de NAD+ este distrusă, celula intră într-o stare care-i opreşte creşterea. Cu funcţiile celulare blocate, fagul nu se mai poate replica şi nu se poate răspândi în restul populaţiei bacteriene. În acest fel, Cat1 se aseamănă cu Cam1 şi Cad1, toate oferind o formă de imunitate la nivelul populaţiei bacteriene”, explică Christian Baca, coautor principal şi student doctorand în laboratorul Rockefeller.
Complexitate unică
Deşi strategia imunitară a lui Cat1 seamănă cu cea a altor efectori CARF, structura sa este unică, aşa cum a relevat o analiză structurală detaliată, realizată cu ajutorul criomicroscopiei electronice (cryo-EM).
Analiza a descoperit că proteina Cat1 are o structură surprinzător de complexă: dimerii Cat1 sunt „lipiţi” de moleculele de semnal cA4, formând filamente lungi în timpul infecţiei virale şi captând metabolitul NAD+ în nişte pliuri, „buzunare" moleculare lipicioase.
„Odată ce NAD+ este degradat de filamentele Cat1, el nu mai poate fi utilizat de celulă”, notează cercetătorii.
Însă complexitatea Cat1 nu se opreşte aici.
Monomerii Cat1 sunt reprezentaţi aici în nuanţe de roz şi mov, în timp ce moleculele de cA4, care leagă dimerii pentru a prelungi filamentul, sunt colorate în portocaliu. Credit: Laboratorul de Bacteriologie al Universităţii Rockefeller
„Filamentele interacţionează între ele organizându-se în structuri spiralate cu geometrie triunghiulară, care pot evolua ulterior în configuraţii spiralate de tip pentagonal”, explică una dintre coautoarele principale ale studiului, Puja Majumder, cercetătoare postdoctorală în Laboratorul de Biologie Structurală al MSKCC. Scopul acestor structuri rămâne să fie investigat.
De asemenea, este neobişnuit faptul că, adesea, Cat1 pare să funcţioneze singură.
„În mod normal, în sistemele CRISPR de tip III există două activităţi care contribuie la efectul imunitar. Totuşi, majoritatea bacteriilor care exprimă Cat1 par să se bazeze în principal doar pe acestă proteină”, explică Baca.
Echipa subliniază că aceste descoperiri deschid direcţii importante pentru viitoarele cercetări.
„Deşi considerăm că am demonstrat rolul general al efectorilor CARF în blocarea replicării fagilor, numeroase aspecte ale mecanismelor implicate rămân încă insuficient înţelese. Continuarea cercetărilor este esenţială pentru clarificarea acestor procese”, concluzionează autorii.
