Бактерии избавляются от АТФ, чтобы остановить распространение фагов

Одной из защитных систем бактерий, препятствующих размножению фагов, является антивирусная сигнальная система, использующая циклические олигонуклеотиды (cyclic oligonucleotide-based antiviral signaling system, CBASS). От CBASS произошла защитная система эукариот cGAS-STING, также предназначенная для противодействия вирусам. В основе CBASS лежит специальная нуклеотидилтрансфераза, которая при заражении фагом образует циклические олигонуклеотиды, активирующие эффекторный белок, убивающий зараженную клетку. Израильские ученые установили, что один из эффекторных белков системы CBASS — Cap17 — является АТФ-нуклеозидазой, которая разрушает молекулы АТФ и дАТФ, тем самым препятствуя размножению фага. Более того, родственные белки, осуществляющие те же защитные механизмы, были выявлены и у эукариот. Результаты исследования опубликованы в Cell.

Авторы работы изучали белок Cap17 штамма Escherichia coli, обладающего системой CBASS и устойчивого к ряду фагов. Предсказание структуры с помощью Alphafold2 показало, что белок имеет два домена, причем N-концевой домен отвечает за связывание циклического олигонуклеотидного мессенджера, а C-концевой (PNP) домен может разрывать N-гликозидную связь в нуклеотидах, отделяя азотистое основание от сахара, и сам по себе токсичен для бактерии. Дальнейшие эксперименты подтвердили, что Cap17 влияет на нуклеотиды и нуклеозиды в клетке, а именно понижает уровень АТФ, разрушая это соединение. На уровни ГТФ, ЦТФ и УТФ Cap17 влияния не оказывает.

Чтобы выяснить, какую роль Cap17 играет в защите от фагов, авторы работы вставили систему CBASS с Cap17 в клетки E. coli, изначально не имевшие CBASS, и проанализировали, как изменилась их устойчивость к заражению фагами. Приобретение CBASS снижало эффективность инфекции фагом P1 примерно на два порядка, причем точечные мутации в каталитическом центре Cap17 сводили на нет этот эффект. Анализ метаболитов, полученных из лизатов таких клеток, показал, что через 50 минут после заражения фагами в клетках полностью исчезал дАТФ, а уровень АТФ сильно снижался. Авторы работы заключили, что разрушение (д)АТФ Cap17 лежит в основе защитного действия исследуемой системы CBASS. Они предположили, что снижение уровня АТФ приводит к преждевременному лизису клетки, как это происходит с «энергетическими ядами» (соединениями, которые снижают уровень клеточной энергии).

Обычно белки с PNP-доменом относятся к ферментам «домашнего хозяйства», удивительно, что здесь такой белок играет противовирусную роль. Ученые исследовали эволюционное положение Cap17. Филогенетический анализ гомологов этого белка из геномов бактерий и архей показал, что Cap17 четко обособлен в самостоятельный кластер и отделен от других белков с PNP-доменом. Примечательно, что гены, которые окружают кодирующий Cap17 ген, очень часто оказывались на филогенетическом древе рядом с белками защитных противовирусных систем. Авторы заключили, что Cap17 относится к особой группе PNP-содержащих белков, адаптированной под нужды противовирусной защиты. Более того, АТФ-нуклеозидазы могут входить в состав двухкомпонентных противофаговых систем.

АТФ-нуклеозидазы не только защищают прокариоты от вирусов, но и выполнять схожие функции в рамках врожденного иммунитета эукариот. Авторы исследования выявили несколько пока не охарактеризованных белков эукариот, которые на филогенетическом древе кластеризовались с белками с PNP-доменами, обладающими защитной функцией. В частности, Cap17-подобные белки были выявлены у губок, нематод и членистоногих. Белок с PNP-доменом губки Amphimedon queenslandica сохраняет способность расщеплять АТФ, поэтому возможно, что Cap17-подобные белки эукариот участвуют в противовирусной защите.

Описан новый механизм горизонтального переноса генов бактериофагами