Os vírus resistentes ao CRISPR constroem abrigos para proteger os genomas das enzimas que penetram no DNA

Os serviços de um provedor de nuvem são usados ​​não apenas pelas empresas, mas também por agências governamentais - instituições, agências federais, organizações médicas. É sobre medicina, o provedor de nuvem corporativo Cloud4Y e oferece-se para conversar.

As bactérias e vírus que os infectam participam de sua própria corrida armamentista: tão antigos quanto a própria vida. A evolução deu às bactérias todo um arsenal de enzimas imunológicas, incluindo os sistemas CRISPR-Cas que podem destruir o DNA viral. Mas os vírus que matam bactérias (fagos) desenvolveram suas próprias ferramentas com as quais você pode superar até as defesas bacterianas mais formidáveis.

Cientistas da Universidade da Califórnia descobriram uma nova e maravilhosa estratégia que alguns fagos usam para proteger contra enzimas que penetram em seu DNA. Após a infecção das bactérias, esses fagos criam um abrigo impenetrável, uma espécie de "sala de segurança" no corpo que protege o DNA fágico vulnerável das enzimas antivirais. Este compartimento , muito semelhante ao núcleo celular, pode ser chamado de escudo CRISPR mais eficaz já encontrado em vírus.

Em experimentos conduzidos no laboratório do Departamento de Microbiologia e Imunologia da Universidade da Califórnia, em São Francisco (UCSF), esses fagos não sucumbiram a nenhum dos sistemas CRISPR. "Esta foi a primeira vez que alguém descobriu fagos que demonstram esse nível de resistência ao CRISPR", disse Joseph Bondi-Denomi, professor associado da UCSF. Ele descreveu sua descoberta em um artigo publicado em 9 de dezembro de 2019 na revista Nature .

Uma caçada ao DNA que o CRISPR não pode penetrar

Joseph Bondi-Denomi liderou a equipe de pesquisa que abriu o "abrigo" de fagos

Para encontrar fagos resistentes ao CRISPR, os pesquisadores selecionaram vírus de cinco famílias diferentes de fagos e os usaram para infectar bactérias comuns que foram geneticamente modificadas para implantar quatro enzimas Cas diferentes, o componente que penetra no DNA dos sistemas CRISPR.


A enzima de restrição HsdR (vermelha), uma proteína que normalmente corta o DNA do fago (azul), não pode penetrar no DNA. A concha nucleada montada pelo fago envolve o DNA do fago, criando uma barreira que torna o genoma do fago inacessível ao HsdR e outras enzimas que entram no DNA.

Essas bactérias melhoradas pelo CRISPR emergiram vitoriosas contra a maioria dos fagos que encontraram. Mas os dois fagos gigantes (que receberam seu nome porque seus genomas eram 5 a 10 vezes maiores que os genomas dos fagos mais bem estudados) eram impenetráveis ​​para todos os quatro sistemas CRISPR.

Os cientistas decidiram realizar testes adicionais desses fagos gigantes para explorar os limites de sua resistência ao CRISPR. Eles os expuseram a bactérias equipadas com um tipo completamente diferente de CRISPR, bem como a bactérias equipadas com sistemas de modificação e restrição . Ou seja, uma enzima de clivagem de DNA que é mais comum que o CRISPR (os sistemas de restrição são encontrados em cerca de 90% das espécies bacterianas, enquanto o CRISPR está presente em apenas cerca de 40%)%), mas pode atingir apenas um número limitado de sequências de DNA.

Os resultados foram os mesmos de antes: as placas de Petri estavam cheias de restos destruídos de bactérias infectadas por fagos. Estes fagos eram resistentes aos seis sistemas imunitários bacterianos testados. Nenhum outro fago foi capaz disso.

Os fagos gigantes pareciam quase indestrutíveis. Mas experimentos in vitro mostraram o contrário - o DNA de fago gigante era tão vulnerável ao CRISPR e às enzimas de restrição quanto qualquer outro DNA. A resistência ao CRISPR, que foi observada em células infectadas com fagos, deveria ter sido o resultado de algo que produziu vírus que interferiram no CRISPR. Mas o que poderia ser?


Modelo de infecção por Pseudomonas aeruginosa com fago φKZ. Ilustração: Mendoza et al., 2019.

O anti-CRISPR parecia ser o culpado. Essas proteínas, descobertas pela primeira vez por Bondi-Denomi em 2013, eram poderosos inativadores do CRISPR codificados em alguns genomas de fagos. Mas quando os pesquisadores analisaram as seqüências genômicas do fago gigante, eles não viram vestígios de anti-CRISPR. Além disso, cada anti-CRISPR conhecido pode desativar apenas certos sistemas CRISPR, enquanto os fagos gigantes eram resistentes a todas as enzimas antivirais secretadas neles. Tudo o que protegia o DNA do fago gigante deveria ter sido baseado em algum outro mecanismo.

Escudo impermeável de CRISPR

Os cientistas estavam perdidos e construíram modelos. Alguém na nuvem , alguns no papel. Após um grande número de experimentos, consegui entender o que estava acontecendo. Quando os fagos gigantes infectam bactérias, eles criam um compartimento esférico no meio da célula hospedeira, que inibe as enzimas antivirais e fornece um "refúgio" para a replicação do genoma viral.

Uma descoberta semelhante foi feita em 2017 por outros dois cientistas, Joe Polyano e David Agard. Esses pesquisadores demonstraram que o genoma do fago se replica na membrana semelhante ao núcleo. Mas até agora ninguém sabia que a concha também serve como um escudo impenetrável contra o CRISPR.

Curiosamente, a compartimentação é extremamente rara nas bactérias. Em vírus, não é suposto em princípio. E ainda mais que o compartimento era tão semelhante ao núcleo eucariótico. No entanto, você vai - é isso, o pseudo-núcleo!


A bactéria Pseudomonas chlororaphis infectada com o fago 201φ2-1: foto (a) e reconstrução (b). O pseudo-núcleo é azul, o capsídeo coletado de partículas virais é verde, os ribossomos são amarelos.

No entanto, muitas perguntas sobre o envelope e os vírus que o criam permanecem sem resposta, incluindo informações básicas sobre a proteína a partir da qual o envelope da "sala de segurança" é feito. De acordo com Joseph Bondi-Denomi, ao sequenciar esses fagos, sua equipe conseguiu encontrar uma das proteínas hipotéticas. Mas em alguns fagos intimamente relacionados, essa proteína não pôde ser detectada. Além disso, ainda não está claro como é a estrutura da proteína no nível atômico.

Mas a proteína do envelope de construção não é o único mistério que Bondi-Denomi e seus colegas precisam resolver. Enquanto observavam as bactérias infectadas com o fago, elas conseguiram perceber algo mais interessante: durante a construção do “abrigo” para o fago (isso leva cerca de 30 minutos), seu genoma permanece no local onde foi introduzido na célula hospedeira. Durante esse período, o genoma do fago parece ser vulnerável a quaisquer enzimas antivirais que flutuam ao redor da célula hospedeira. Mas, de uma forma ou de outra, o genoma permanece inalterado enquanto sua “sala” está sendo construída.

Talvez algum tipo de membrana temporária proteja o DNA introduzido do vírus em um estágio inicial. Como uma carcaça de proteção que é redefinida quando a arma está pronta para a batalha. É que os cientistas ainda não conseguiram entender que tipo de proteção.



Mas os cientistas conseguiram descobrir que a concha não é tão impenetrável quanto os primeiros experimentos mostraram. Usando um desenvolvimento complicado, o principal autor do estudo, Senen Mendoza, um estudante de pós-graduação no laboratório Bondi-Denomi, encontrou uma maneira de contornar um escudo nucleado, anexando uma enzima de restrição a uma das proteínas do envelope viral. Essa estratégia do cavalo de Tróia permitiu que a enzima entrasse no abrigo durante sua montagem e destruísse o genoma do fago dentro da zona livre de imunidade, graças à qual as bactérias conseguiram sobreviver.

Esse experimento é especialmente interessante para os pesquisadores, pois mostra que, de fato, existem maneiras de penetrar no casulo "impermeável" da proteção do genoma do vírus. E dado o fato de que bactérias e fagos sempre encontram novas maneiras de quebrar as defesas um do outro, Bondi-Denomi acredita que muito em breve os cientistas descobrirão que as bactérias já estão armadas com as ferramentas necessárias para romper ou contornar esse método de proteção. A guerra continuará.

O que mais é útil para ler no blog do Cloud4Y

→ Energia solar salgada
→ Como o banco quebrou
→ A Grande Teoria dos Flocos de Neve
→ Internet por balões
→ Pentesters na vanguarda da segurança cibernética

Assine o nosso canal Telegram para não perder outro artigo! Escrevemos não mais do que duas vezes por semana e apenas a negócios.