Pomen retroelementov v mikrobnih genomih

DGR (Diversity-generating retroelements)

Primer sistema DGR pri bakteriofagu BPP-1

Retroni

Retroni so okrog 2 kbp dolga DNA zaporedja, ki jih pogosto najdemo znotraj profagnih regij genoma številnih vrst bakterij. Gre za dele bakteriofagne DNA, ki se je z insercijo vstavila v bakterijski kromosom. Retroni vsebujejo gen imenovan ret, ki kodira posebno vrsto reverzne transkriptaze (RT), in regiji imenovani msr in msd, ki predstavljata nekodirajočo RNA (ncRNA). Da RT lahko prepozna matrico, mora biti transkript ncRNA zvit v specifično sekundarno strukturo, ki nastane s tvorbo vodikovih vezi med dvema obratno ponovljenima zaporedjema na 5’ in 3’ koncu, ter tvori t.i. steblo oz. dvoverižno RNA. To povzroči, da se izpostavi gvanozinski ostanek znotraj ohranjenega zaporedja AGC v regiji msr (imenovan tudi razvejitveni G), čigar 2’-OH skupina služi kot začetek za sintezo cDNA. Po vzpostavitvi 2’-5’ fosfodiestrske vezi s prvim deoksiribonukleotidom, RT nadaljuje sintezo cDNA, hkrati pa znotrajcelična RNaza H razgrajuje verigo msd, ki je služila kot matrica. Nastali RNA-DNA hibrid, imenovan tudi večkopijska enoverižna DNA (msDNA), sestavlja torej veriga RNA (msr), kovalentno povezana z reverznim transkriptom DNA (msd). Ker se msDNA ne more avtonomno replicirati, retron pravzaprav predstavlja operon, potreben za njeno sintezo.

Funkcija retronov pri obrambi pred bakteriofagi

Funkcija retronov vse od njihovega odkritja leta 1984 dolgo časa ni bila poznana, šele raziskave v zadnjih nekaj letih so pokazale, da naj bi skupaj z efektorskimi proteini delovali kot anti-fagni obrambni sistemi. Ugotovljeno je bilo, da se okrog 40% do sedaj znanih retronov iz bakterijskih in arhejskih genomov nahaja v t.i. obrambnih otokih genoma, poleg genov, ki so udeleženi pri obrambi celice pred napadom bakteriofagov. Te, z retroni povezane gene, imenujemo retronski ‘efektorji’.

Abortivna infekcija

Retron Ec48 iz bakterije E.coli (številka v imenu se nanaša na dolžino reverzno-prepisanega DNA segmenta) se nahaja v bližini gena, ki kodira protein z domeno 2TM z dvema transmembranskima vijačnicama. Take domene so pogoste pri efektorskih proteinih, ki vplivajo na zmanjšanje integritete in povečanje permeabilnosti membrane, kar povzroči smrt okužene bakterije, še preden lahko bakteriofag zaključi svoj razmnoževalni cikel in se prenese na preostalo populacijo (sprožijo abortivno infekcijo). Kompleks RecBCD predstavlja imunski center bakterijske celice, zato imajo številni bakteriofagi v svojem genskem zapisu zakodirane proteine, ki inhibirajo ta encim. RecBCD ima ključno vlogo pri popravljanju DNA, zaradi svoje nukleazne aktivnosti pa je sposoben tudi hitre razgradnje linearne dvoverižne bakteriofagne DNA. Sestavljajo ga tri podenote; spremembe v strukturi podenote RecB, kot posledica delovanja fagnih inhibitorjev, dokazano aktivirajo retron obrambni sistem Ec48. Predvideva se, da se retronska msDNA veže na domeno RecB, ob okužbi celice pa jo izpodrine fagni inhibitor. Ko je msDNA prosta, lahko aktivira efektorski protein. Točen mehanizem, preko katerega ta RNA-DNA hibridna molekula prepozna domeno RecB oz. fagne proteine, še ni poznan, prav tako ne mehanizem, preko katerega se signal nato prenese do efektorskega proteina, ki sproži celično smrt.

Sistem toksin-antitoksin

V primeru retrona St85 iz bakterije Salmonella Typhimurium retronska msDNA skupaj z RT direktno interagira z efektorskim proteinom in kontrolira njegovo aktivnost, torej deluje kot trodelni sistem toksin-antitoksin. Kompleks RT-msDNA predstavlja antitoksin, pri čemer je RT potrebna za specifičnost interakcije, saj veže bakterijski toksin RcaT (Retron cold-anaerobic Toxin), msDNA pa omogoča antitoksinsko aktivnost oz. njegovo inhibicijo. Če fagni proteini degradirajo oz. razcepijo msDNA, to inaktivira antitoksin in povzroči aktivacijo RcaT, ki inhibira rast te bakterije. Zakaj do inhibicije rasti pride le v hladnih in anaerobnih pogojih, še ni jasno.

Viri

1. Millman A, Bernheim A, Stokar-Avihail A, Fedorenko T, Voichek M, Leavitt A, et al. Bacterial Retrons Function In Anti-Phage Defense. Cell. 2020;183: 1551-1561.e12. doi:10.1016/j.cell.2020.09.065

2. González-Delgado A, Mestre MR, Martínez-Abarca F, Toro N. Prokaryotic reverse transcriptases: from retroelements to specialized defense systems. FEMS Microbiol Rev. 2021;45: fuab025. doi:10.1093/femsre/fuab025

3. Paul BG, Eren AM. Eco-evolutionary significance of domesticated retroelements in microbial genomes. Mob DNA. 2022;13: 6. doi:10.1186/s13100-022-00262-6