EN / DA
Krop og sind

Forskere kortlægger bakteriers immunforsvar

Opdagelsen af den molekylære mekanisme bag bakteriers immunforsvar kan påvirke kampen mod antibiotikaresistens.

Præcis lige som alle andre organismer på planeten har bakterierne et immunforsvar. Dét bruger de primært til at beskytte sig selv mod bakterieinficerende virus, som kaldes fager.

En del af bakteriernes immunforsvar vækker genklang hos mange fordi det er en variant af CRISPR-Cas-systemet, som forskere i dag udnytter i laboratoriet til at klippe og klistre i genetisk materiale.

Nu har forskere nærstuderet en variant af CRISPR-Cas-systemet og kortlagt strukturen af de molekylære spillere, mens de forsvarede bakteriecellen.

Opdagelsen kan påvirke forståelsen af udvikling af antibiotikaresistens og det evolutionære ophav til vores eget immunforsvar.

”Vi har opdaget én af mekanismerne bag bakteriers forsvar mod virus. Det interessante er, at vi derved kan se, at grundlaget for de mekanismer, som bakterierne benytter sig af, er konserveret i eukaryote celler, som er en del af den menneskelige krop,” fortæller en forsker bag det nye studie, Guillermo Montoya, der er professor ved Novo Nordisk Foundation Center for Protein Research ved Københavns Universitet.

Studiet er publiceret i Nature Communications.

Sådan klipper bakterier invaderende fagers gener i stykker

Det bakterielle immunforsvar, som Guillermo Montoya og sine kollegaer har kortlagt, involverer type III-B CRIPSR-Cas-systemet, et cyklisk molekyle kaldet cOA4 og den genetiske saks Csx1.

Halvdelen af de bakterier som indeholder type III CRISPR-Cas bruger dette immunrespons som modsvar på invaderende fager.

Når en fag trænger ind i en bakterie, vil fagen forsøge at tvinge sit eget genetiske materiale i form af RNA ind i bakteriens genom, så bakterien begynder at producere ny fager på bekostning af sine egne overlevelsesmuligheder.

Som modsvar aktiverer type III-B CRISPR-Cas-systemet cOA4, der binder til Csx1, som ved sammenkoblingen næsten uspecifikt begynder at klippe nærliggende RNA i småstykker, som stopper alle cellulære aktiviteter og dermed ødelægge fagens mulighed for at inficere bakteriens arvemateriale med sit eget.

”CRISPR-Cas-systemet identificerer det infektiøse materiale og danner cOA4, som aktiverer Csx1, der ødelægger alt RNA, som deaktiverer infektionen,” forklarer Guillermo Montoya.

Kortlagde struktur af proteinkompleks med avancerede teknikker

Forskerne fra Københavns Universitet kortlagde strukturen af hvordan cOA4 aktiverer Csx1.

De brugte røntgenkrystallografi, hvor de skød røntgenstråler gennem proteinkomplekset for at fastslå dets struktur. De brugte også cryoelektronmikroskopi, hvor de ved hjælp af et elektronmikroskop tog flere hundrede utydelige billeder af proteinkomplekset og sammensatte dét til ét tydeligt billede.

På den måde kunne de se, hvordan proteinkomplekset så ud i aktiveret og inaktiveret form.

Giver ny viden om menneskets immunforsvar

Forståelsen af den del af bakteriers immunforsvar, der involverer CRIPSR-Cas, cOA4 og Csx1, har flere forskellige interessante applikationer.

For det første kan forskerne nu fastslå, at det samme princip, som gælder i bakteriernes immunforsvar –aktiveringen af molekylære sakse til at klippe virus-RNA i stykker – er konserveret i evolutionen, da både bakterier og dyr, herunder mennesker, besidder denne form for beskyttelse mod virusser.

Det gør, at forskere nu bedre kan bestemme, hvordan vores eget immunforsvar er kommet til verden.

”Det er dog vigtigt at slå fast, at eukaryote celler ikke besidder CRISPR-Cas-systemet, men derimod et andet system til at aktivere specifikke enzymer, som klipper fremmed arvemateriale i stykker. Men princippet er det samme,” siger Guillermo Montoya.

Opdagelsen kan blive til et interessant genetisk værktøj i laboratorierne

For det andet rummer opdagelsen forskellige molekylærbiologiske muligheder.

Eksempelvis vil forskere ofte gerne se, hvad der sker, hvis de fjerner alt RNA fra en celle. RNA er grundlaget for dannelsen af proteiner, og derfor når alt RNA fjernes bliver proteinerne også fjernet.

Da forskere med opdagelsen af Csx1-cOA4-komplekset har et meget præcist værktøj til at eliminere RNA, kan de ikke bare fjerne alt RNA og dermed alle proteiner i en celle, men også gøre det på et specifikt tidspunkt i eksempelvis en cellecyklus.

Hidtil har teknikker til at fjerne RNA ikke været gode nok til at få alt RNA væk, men den nye opdagelse rummer denne mulighed, hvis forskere tager den ind i laboratoriet.

”Vi kan bruge dette system som en regulatorisk kontakt, der bliver tændt, hvis vi tilsætter cOA4 til Csx1. I det tilfælde vil proteinkomplekset klippe alt RNA i stykker og fjerne muligheden for at lave proteiner. Vi kalder det RNA-silencing, og det er et vigtigt værktøj i at undersøge cellulære funktioner og i genetiske eksperimenter,” forklarer Guillermo Montoya.

Kan gøre os klogere på antibiotikaresistens

Opdagelsen kan muligvis også benyttes til bedre at forstå udvikling af antibiotikaresistens i bakterier.

Når fager prøver at inficere bakterier, bliver der klippet i rigtig meget genetisk materiale, og meget af det bliver flyttet rundt inde i bakterien. Det er ofte i disse situationer, hvor genetisk materiale fra fager og bakterier bliver blandet sammen, at antibiotikaresistensgener kan få fodfæste i bakterierne og gøre dem immune over for de behandlinger, som mennesker prøver at slå dem ihjel med.

”Noget af det genetiske materiale, som fager overfører til bakterier, indeholder den genetiske kode til antibiotikaresistens. Det er vigtigt at vide, hvad der sker i den proces, hvor det genetiske materiale bliver til en del af bakterien. Måske kan vi en dag bruge denne viden til at hæmme udviklingen af antibiotikaresistens,” siger Guillermo Montoya.

Structure of Csx1-cOA4 complex reveals the basis of RNA decay in Type III-B CRISPR-Cas” er udgivet i Nature Communications. Guillermo Montoya er ansat på Novo Nordisk Foundation Center for Protein Research ved Københavns Universitet. I 2018 modtog Guillermo Montoya et Distinguished Investigator grant fra Novo Nordisk Fonden.

Guillermo Montoya
Research director, professor
The Montoya Group works to illuminate the molecular details of cellular processes. This knowledge is the basis for the understanding of diseases and the possible development of treatments. The group works in the interface between biology, physics and chemistry and uses molecular biology, X-ray crystallography and cryo-electron microscopy to dissect the working mechanisms of the macromolecules that constitute the cell’s machinery. Although these machines underlie all biological processes, there is a lack of knowledge of their function at the atomic level. “Our approach is to use advanced methodology to understand basic cellular mechanisms at an atomic level. We investigate the structural details and function of macromolecules involved in cell cycle progression and genome integrity. Deciphering the working mechanisms of these important processes provides the basis for understanding disease.” says Guillermo Montoya A recent leap in methodological development has overcome some of the barriers that avoided the study of large macromolecular complexes and allows for a degree of accuracy that has not been possible before. The Montoya group is part of this revolution and since 2017 the group has contributed to set up a state-of-the-art cryo-electron microscopy system that have accelerated their research.