Бактериофаги — самая распространенная форма жизни на Земле. Они заражают бактериальные клетки и оказывают значительное влияние на структуру микробного сообщества. Чтобы отражать атаки фагов, бактерии развили свои собственные механизмы защиты, самыми распространенными из которых являются системы рестрикции-модификации (R-M) и CRISPR-Cas.
В дополнение к этому бактерии кодируют арсенал из нескольких сотен более редких и малоизученных систем защиты, некоторые из которых, как например BREX, используют модификацию собственной ДНК для отличения ее от ДНК вирусов, но устроены такие системы значительно сложнее, чем классические R-M системы.
«Мы в лаборатории занимаемся изучением BREX-системы с момента ее открытия. Она достаточно сложна, так как состоит из шести белков, и интересна тем, что совмещает классический принцип метилирования ДНК с новыми механизмами защиты от вирусной инфекции. В этой работе мы постарались разобраться, как происходит распознавание чужеродной и собственной ДНК BREX-системой и какую роль в этом играет белок метилтрансфераза — BrxX. Наши коллеги из лаборатории Дмитрия Гилярова разрешили структуру белка BrxX в комплексе с сайт-специфичным ДНК-субстратом и смогли расшифровать, каким образом происходит распознавание конкретных букв (нуклеотидов) в BREX-сайте.
А. Схема взаимодействий между BrxX и сайтом BREX из шести пар оснований. Указаны расстояния в ангстремах. В. Молекулярная основа для сайт-специфического распознавания сайта BREX. Каждая пара оснований представлена отдельно и ориентирована с большой бороздкой сверху. Указаны расстояния в ангстремах. С. Видоспецифическая петля MTD распознает шестую пару оснований. Показана структурная суперпозиция петли 587–601 E. coli HS BrxX MTD (розовая) и эквивалентных петель в Salmonella typhimurium (фиолетовая) и Escherichia fergusonii (пурпурная). D. Параллельное сравнение вышеуказанных петель с аминокислотами. Источник: Drobiazko et al / NatureCommunications, 2025
Располагая этой информацией, мы смогли провести мутагенез белка BrxX и тем самым запрограммировать его на распознавание новых ДНК-сайтов. Неожиданным образом это также значительно усилило противовирусную активность BREX-системы», — поделилась первый автор работы Алена Дробязко, выпускница аспирантуры Сколтеха по программе «Науки о жизни».
«В работе мы также показали, что белок BrxX необходим не только для метилирования бактериальной ДНК, но также и на этапе защиты. Что интересно, метилтрансфераза BrxX оказалась неактивной в условиях in vitro и in vivo экспериментов и работала только в условиях сборки крупного BREX-комплекса. То есть в отличие от простых R-M систем II типа, где метилаза и рестриктаза является двумя отдельными белками, в случае BREX и метилирование собственной ДНК, и распознавание вирусной неметилированной ДНК, и ее дальнейшая рестрикция осуществляются „супра-молекулярным“ BREX-комплексом. Очень интересно установить, как BREX-система принимает решение о том, атаковать или защищать ДНК, и как именно устроен механизм защиты, что мы и планируем изучить в дальнейшем», — рассказал соавтор работы, аспирант программы Сколтеха «Науки о жизни» Михаил Скутель.
Результаты исследования представлены в журнале Nature Communications. Исследование поддержано грантом РНФ.
