به گزارش خبرگزاری سیناپرس، فناوری CRISPR که معمولاً برای ویرایش ژنوم استفاده می‌شود، در اصل مبتنی بر مکانیسم‌های دفاعی باکتریایی بود که برای محافظت در برابر باکتریوفاژها به وجود آمدند، اگرچه نحوه فعال‌سازی آنها تا حد زیادی دانشمندان را گیج کرده است. در مسیر درک این پدیده، محققان مؤسسه Broad MIT و هاروارد و موسسه McGovern برای تحقیقات روی مغز، دو پروتئین را در باکتریوفاژها(ویروس‌هایی که باکتری‌ها را آلوده می‌کنند) شناسایی کرده‌اند، که سیستم‌های دفاعی ایمنی باکتریایی و آرکی باکترها را فعال می‌کنند. این تیم گزارش خود را در 12 آگوست در Science منتشر کرد.
این تحقیق دنباله‌ای از یک مطالعه در سال 2020 بود، که در آن محققان چندین هزار ژن دفاعی ایمنی باکتریایی را شناسایی کردند که در برابر باکتریوفاژها محافظت می‌کنند. هر دو مقاله توسط الکس گائو، یک بیوشیمی دان دانشگاه استنفورد که در زمانی که یک دستیار جوان در انجمن هاروارد بود، پژوهش جدیدتر را نوشت. او می گوید که خودش و همکارانش شیفته شباهت معماری ژن پروکاریوتی به گیرنده های تشخیص الگوی ایمنی ذاتی انسان شده بودند.
در ارگانیسم های یوکاریوتی، گیرنده های ایمنی برای دفاع از بدن حیاتی هستند. این گیرنده ها که در سیستم ایمنی ذاتی وجود دارند، پاتوژن های رایج را تشخیص می دهند و گلبول های سفید خون را برای مبارزه با آنها فعال می کنند. محققان می خواستند بدانند که آیا شباهت مورفولوژیکی بین سیستم ایمنی ذاتی یوکاریوتی و پروکاریوتی به عملکرد آنها و همچنین مکانیسم های مولکولی که از طریق آنها فعال می شوند گسترش یافته است یا خیر. بنابراین آنها باکتریوفاژها را برای شناسایی اجزای تشکیل دهنده پاسخ ایمنی باکتریایی غربالگری کردند.
گائو و تیمش دو گروه از باکتری های اشریشیا کلی را مهندسی کردند، یکی حاوی ژن های ایمنی خاص و دیگری فاقد آنها، از قطعات ژنومی کلون شده PhiV-1 کلیفاژ (باکتریوفاژی که به طور خاص باکتری های کلیفرم را آلوده می کند) برای مطالعه رفتار E.coli در زمانی که آلوده به ویروس است استفاده کردند.
محققان می‌خواستند بدانند چگونه عفونت‌های ویروسی STANDهای ضد ویروسی (Avs)، پروتئین‌های باکتریایی که ویروس‌ها را شناسایی می‌کنند، در سیستم دفاعی پروکاریوتی فعال می‌کنند و اینکه آیا مولکول‌های محرک خاصی در ویروس مسئول این فعالیت وجود دارد یا خیر. آنها فرض کردند که بیان همزمان پروتئین های Avs با محرک های ضد ویروسی منجر به حذف ژن های ویروسی مربوطه و در نهایت مرگ ویروس می شود. با در نظر گرفتن این موضوع، تیم ژنوم ویروس را توالی یابی کردند و کشف کردند که دو ژن، آنهایی که زیرواحد بزرگ ترمیناز و پروتئین های پورتال را کد می کنند، توسط پروتئین های پروکاریوتی Avs هدف قرار گرفتند و حذف شدند.
زیرواحد بزرگ ترمیناز و پروتئین پورتال، موتورهای بیولوژیکی هستند که به ترتیب در ناحیه سر و دم فاژها مستقر هستند تا به انتقال DNA باکتریوفاژ به میزبان آنها کمک کنند. این اجزا در مجموع به عنوان پروتئین های هدف شناخته می شوند. این تیم دریافتند که وقتی پروتئین‌های Avs همزمان بیان می‌شوند، به طور خاص دو ژن را هدف قرار داده و از بین می‌برند که منجر به مرگ باکتریوفاژ می‌شود. آنها سپس این فرآیند را برای 24 نوع دیگر از باکتریوفاژها تکرار کردند و دریافتند که E.coli پاسخ ایمنی یکسانی را علیه هر کدام ایجاد می کند.
گائو می گوید ژن های دفاعی بسیار متنوع هستند. آنها می توانند پورتال و پروتئین ترمیناز مربوطه را نه تنها از یک ویروس بلکه از بخش بزرگی از ویروس های مختلف تشخیص دهند. این نشان می‌دهد که آنها حسگرهای منفرد نبودند، بلکه گیرنده‌های تشخیص الگو بودند که می‌توانند همان چین‌های سه‌بعدی یک پروتئین هدف را تشخیص دهند.
برای بدست آوردن تصویری کامل از مکانیسم دقیق فعال‌سازی سیستم ایمنی، محققان ساختارهای سه‌بعدی پروتئین‌های Avs و فاژ را با استفاده از تصویربرداری فوق سرد الکترونی تجزیه و تحلیل کردند. تجزیه و تحلیل آنها نشان داد که پروتئین Avs به طور مستقیم ویژگی های ساختاری پروتئین های مشخصه را تشخیص می دهد. همچنین نشان داد که ساختارهای بیولوژیکی آنها با یکدیگر مطابقت دارد و نشان می‌دهد که پروتئین‌ها بر هم منطبق اند و تا قبل از فعال‌سازی، تترامرهای درون باکتری‌ها را تشکیل دهند.
جاکوب بوبونیس که در آزمایشگاه زیست مولکولی اروپا در مورد باکتری ها و سیستم های ایمنی باکتریوفاژ مطالعه می کند، می گوید: به طور فزاینده ای آشکار می شود که همه این سیستم هایی که باکتری ها باید در برابر ویروس ها از آنها دفاع کنند، شباهت های زیادی با همتایان یوکاریوتی خود دارند.
بوبونیس می گوید که این یک زمینه نوظهور و بسیار مهم است زیرا درک اینکه چگونه باکتری ها و ویروس ها با یکدیگر ارتباط برقرار می کنند می تواند به طراحی ویروس های درمانی کمک کند که می توانند باکتری های خاص و بیماری زا را هدف قرار دهند.
منبع: the-scientist.com
مترجم: کیانوش کرمی
پروکاریوت ها قادر به یادگیری تشخیص فاژها هستند
