Cada criatura viviente en la tierra necesita protegerse de cosas que lo harían daño. Las bacterias no son diferentes. Y a pesar de su relativa simplicidad, despliegan estrategias defensivas notablemente inteligentes contra los invasores virales. El más conocido es CRISPR-CAS9, adaptado para el uso humano como la primera técnica de edición genética aprobada por la FDA.
El año pasado, los investigadores del Laboratorio de Bacteriología de Rockefeller, encabezado por Luciano Marraffini, y en el Laboratorio de Biología Estructural del MSKCC, encabezado por Dinshaw Patel, han estado estudiando componentes inmunes clave de algunos sistemas CRISPR llamados CARF EFECTORS. Estas armas recién descubiertas adoptan diferentes enfoques para lograr el mismo objetivo: detener la actividad celular, lo que evita que un virus se propague por el resto de la población bacteriana.
En una publicación reciente en Ciencialos científicos anuncian el nuevo efector de carferos que han descubierto, que acuñaron Cat1. Gracias a una estructura molecular inusualmente compleja, esta proteína puede agotar un metabolito esencial para la función celular. Izquierda sin combustible, los planes del invasor viral para otro ataque adicional se detienen.
«El trabajo colectivo de nuestros laboratorios está revelando cuán efectivos son, y diferentes, estos efectores de carferos», dice Marraffini. «El rango de sus actividades moleculares es bastante sorprendente».
Sistemas de defensa múltiples
CRISPR es un mecanismo en los sistemas inmunes adaptativos de las bacterias y otros organismos unicelulares que ofrecen protección contra virus, llamados fagos. Los seis tipos de sistemas CRISPR funcionan aproximadamente de la misma manera: un ARN CRISPR identifica el código genético extraño, que desencadena una enzima CAS para mediar una respuesta inmune, a menudo cortando el material invasor.
Pero un creciente cuerpo de evidencia indica que los sistemas CRISPR despliegan una amplia variedad de estrategias defensivas más allá de las tijeras genéticas. El laboratorio de Marraffini ha liderado el camino en gran parte de esta investigación. En particular, han estado estudiando una clase de moléculas en los sistemas CRISPR-CAS10 llamados efectores de Carf, que son proteínas que se activan tras la infección por fago de una bacteria.
Se cree que la inmunidad efector de Carf funciona creando un ambiente inhóspito para la replicación viral. Por ejemplo, el efector CAM1 Carf causa la despolarización de la membrana de una célula infectada, mientras que CAD1 desencadena una especie de fumigación molecular, inundando una célula infectada con moléculas tóxicas.
Congelación metabólica
Para el estudio actual, los investigadores querían tratar de identificar efectores de carferos adicionales. Utilizaron Foldseek, una poderosa herramienta de búsqueda de homología estructural, para encontrar CAT1.
Descubrieron que Cat1 está alertado de la presencia de un virus mediante la unión de las moléculas de mensajería secundaria llamadas tetra-adenilato cíclico, o CA4que estimulan la enzima a escindir un metabolito esencial en la célula llamado NAD+ +.
«Una vez una cantidad suficiente de NAD+ + está escindido, la célula ingresa a un estado de arresto contra el crecimiento «, dice el co-primero autor Christian Baca, un estudiante graduado de TPCB en el laboratorio de marraffini». Con la función celular en pausa, el fago ya no puede propagarse y propagarse al resto de la población bacteriana. De esta manera, CAT1 es similar a CAM1 y CAD1 en el sentido de que todos proporcionan inmunidad bacteriana a nivel de población «.
Complejidad única
Pero si bien su estrategia inmune puede ser similar a estos otros efectores de Carf, su forma no es, como la co-directa autora Puja Majumder, una académica de investigación postdoctoral en el laboratorio de Patel, revelada a través de un análisis estructural detallado utilizando crio-EM.
Descubrió que la proteína CAT1 tiene una estructura sorprendentemente compleja en la que CAT1 los dímeros están pegados por CA4 molécula de señal, formando filamentos largos sobre la infección viral, y atrapan el NAD+ + metabolitos dentro de los bolsillos moleculares pegajosos. «Una vez el nad+ + El metabolito está escindido por filamentos CAT1, no está disponible para que la célula lo use «, explica Majumder.
Pero la complejidad estructural singular de la proteína no se detiene allí, agrega. «Los filamentos interactúan entre sí para formar paquetes de espiral trigonales, y estos paquetes pueden expandirse para formar paquetes espirales pentagonales», dice ella. El propósito de estos componentes estructurales queda por investigar.
También es inusual el hecho de que Cat1 a menudo parece funcionar solo. «Normalmente en los sistemas CRISPR tipo III, tiene dos actividades que contribuyen al efecto de inmunidad», dice Baca. «Sin embargo, la mayoría de las bacterias que codifican CAT1 parecen depender principalmente de CAT1 para su efecto de inmunidad».
Marraffini dice que estos hallazgos plantean nuevas preguntas intrigantes. «Si bien creo que hemos demostrado el panorama general, que los efectores de Carf son excelentes para prevenir la replicación del fago, todavía tenemos mucho que aprender sobre los detalles de cómo lo hacen. Será fascinante ver a dónde nos lleva este trabajo a continuación».
