Иммунитет бактерий поддерживается общением

В природных условиях бактерии могут проживать в виде различного типа сообществ с высокой плотностью клеток — цепочки клеток, микроколонии, биопленки. Это обеспечивает бактериям выживание, но и увеличивает риск быстрого распространения вирусов-бактериофагов, угрожающих всей популяции бактерий.  В свое время было сделано предположение, что формирование бактериальных сообществ выгодно бактериям только в отсутствие бактериофагов либо при наличии некоего регуляторного механизма, усиливающего бактериальный иммунитет при «жизни в коллективе». Также было известно, что бактериальные клетки в сообществах общаются при помощи «чувства кворума» (quorum sensing), обмениваясь различными химическими сигналами.

Что касается бактериального иммунитета, то у прокариот эту защитную роль выполняют несколько систем, из которых особенно примечательна система адаптивного иммунитета CRISPR-Cas, защищающая бактерии от вирусов и нежелательных плазмид. В ходе иммунного ответа кусочки вирусной ДНК — спейсеры — встраиваются в бактериальные гены (CRISPR), после чего происходит транскрипция ДНК белками Cas, в результате чего образуются короткие некодирующие CRISPR-РНК (crRNA). Эти РНК объединяются с белками Cas в комплексы, которые способны атаковать вторгающиеся вирусы и инициировать разрушение этих вирусов — процесс, названный интерференцией. Очевидно, что чем больше разных спейсеров встроится в ДНК и будет использовано, тем более разнообразным и эффективным будет бактериальный иммунитет. Однако поддержание высокой активности системы CRISPR-Cas грозит бактериям теми же последствиями, что и избыточная активация иммунной системы у человека — начинаются аутоиммунные процессы, приводящие к гибели клеток. Кроме того, CRISPR-Cas9 будет мешать бактериям обмениваться полезными плазмидами (например, несущими гены антибиотикорезистентности). Таким образом, иммунитет бактерий должен своевременно регулироваться. Но как это происходит?

Ученые из Новой Зеландии предположили, что система иммунитета бактерий регулируется плотностью бактериальных клеток с помощью «чувства кворума».  Для подтверждения своей теории они использовали бактерии вида Serratia, у которых есть целых три типа систем CRISPR-Cas (I-E, I-F и III-A) и которые успешно обмениваются сигналами с помощью молекул SmaI и SmaR, контролирующих производство N-бутаноил-I-гомосерин лактона (C4-HSL) у Серраций.  C4-HSL, как оказалось, обеспечивает то самое «чувство кворума» и сигнализирует клеткам, чтобы они увеличили активность системы CRISPR-Cas. Это подтвердили добавлением в культуру клеток искусственно синтезированного C4-HSL. При этом увеличивалось и количество встраиваемых спейсеров, генерируя разнообразие противовирусного иммунитета. В случае, когда плотность клеток в культуре маленькая и бактериофаги им не угрожают, клетки очень слабо обмениваются молекулами типа C4-HSL, в результате чего активность системы CRISPR-Cas частично подавляется.

Adrian G. et al. Quorum Sensing Controls Adaptive Immunity through the Regulation of Multiple CRISPR-Cas Systems. Molecular Cell, 2016; DOI: 10.1016/j.molcel.2016.11.012