I ricercatori dell’Università dell’Illinois hanno fatto scoperte complementari che ampliano la nostra comprensione del sistema immunitario batterico e offrono nuove strategie per combattere le infezioni resistenti agli antibiotici.
I batteri resistenti agli antibiotici, spesso definiti superbatteri, rappresentano una seria minaccia perché sono difficili da trattare e possono causare tassi di mortalità più elevati da infezioni che sarebbero normalmente gestibili. Questi risultati evidenziano la necessità critica di alternative agli antibiotici tradizionali.
I virus che uccidono i batteri, noti come fagi, sono potenti antimicrobici che possono essere sfruttati per curare le infezioni. Tuttavia, i batteri sono dotati di un set di sistemi immunitari, tra cui CRISPR-Cas, che proteggono dall’attacco dei fagi.Questi sistemi immunitari sono problematici perché possono ridurre l’efficacia dei trattamenti terapeutici basati sui fagi.
Asma Hatoum-Aslan, professore associato di microbiologia, studia il funzionamento interno dei sistemi immunitari batterici, con particolare attenzione allo sviluppo di terapie fagiche efficaci. La ricerca del suo laboratorio si concentra su CRISPR-Cas e altri sistemi immunitari negli stafilococchi, batteri che vivono nella pelle e che spesso causano infezioni resistenti agli antibiotici negli esseri umani. Due articoli pubblicati di recente dal suo laboratorio descrivono la scoperta della prima proteina anti-CRISPR di tipo III-A e svelano un meccanismo tramite il quale i sistemi immunitari antivirali possono diffondersi e potenzialmente compromettere l’efficacia della terapia fagica.
Da vicino una nuova proteina che inibisce l’immunità CRISPR-Cas
I sistemi immunitari CRISPR-Cas utilizzano uno speciale complesso per rilevare e distruggere gli acidi nucleici con origini fagiche. Questo complesso è composto da piccoli RNA legati a una o più nucleasi Cas associate a CRISPR.
Dei sei tipi di sistemi CRISPR-Cas, il Tipo III è considerato il più complesso. Mentre la maggior parte dei sistemi CRISPR ha come bersaglio gli invasori del DNA o dell’RNA, i sistemi di Tipo III hanno come bersaglio entrambi. I sistemi di Tipo III sono anche l’unica varietà di CRISPR nota per utilizzare un secondo meccanismo di segnalazione messaggero che stimola le nucleasi Cas e conferisce un ulteriore livello di protezione reclutando l’aiuto delle nucleasi housekeeping tipicamente destinate ad altre attività cellulari. Di conseguenza, i sistemi CRISPR-Cas di Tipo III sono incredibilmente efficaci nell’eliminare le infezioni da fagi.
Ciò ha portato alla domanda: alcuni fagi hanno sviluppato dei modi per reagire? Per rispondere a questa domanda, i membri del laboratorio Hatoum-Aslan hanno esaminato un’ampia raccolta di fagi per la capacità di eludere i sistemi CRISPR-Cas di tipo III-A e hanno scoperto una nuova proteina anti-CRISPR. Le loro scoperte, pubblicate in Nucleic Acids Research, evidenziano la capacità della proteina anti-CRISPR AcrIIIA1 di legare il complesso associato a CRISPR e bloccarne le funzioni.
“Avere accesso a una raccolta diversificata di fagi è stato fondamentale per questa scoperta iniziale”, ha affermato Hatoum-Aslan. “Ho sviluppato un corso di scoperta dei fagi che insegno dal 2016. Ogni primavera ho un’aula piena di studenti alla ricerca di fagi che infettano i batteri Staphylococcus. Quindi ci riforniamo da questa vasta raccolta di fagi che è ancora in crescita“.
Dopo aver identificato i fagi con attività anti-CRISPR, la sfida successiva dei ricercatori è stata determinare quali geni specifici fossero responsabili. Dopo aver setacciato un pool di oltre 200 geni, molti con funzioni sconosciute, il laboratorio è riuscito a identificare acrIIIA1 , il primo gene anti-CRISPR di tipo III-A, in uno sforzo che Hatoum-Aslan ha coniato “ginnastica genetica”.
Accoppiando coppie di fagi correlati che erano resistenti al sistema CRISPR, i membri del laboratorio hanno ristretto la loro posizione di interesse, concentrandosi su un breve segmento di circa 2.000 nucleotidi. La clonazione e il test di più geni in questa regione hanno permesso ad Hatoum-Aslan e ai suoi studenti di individuare quello in ultima analisi responsabile dell’attività anti-CRISPR.
Ulteriori esperimenti hanno rivelato che AcrIIIA1 ha una composizione unica: è una piccola proteina che si lega saldamente ai piccoli RNA, compresi i tRNA frammentati, che fanno parte del meccanismo di costruzione delle proteine della cellula.
“Non siamo del tutto sicuri di come quei frammenti di RNA aiutino il fago a sfuggire al CRISPR, ma pensiamo che potrebbero impedire indirettamente alle nucleasi di housekeeping di degradare il materiale genetico del fago attraverso l’inibizione competitiva“, ha affermato Hatoum-Aslan. “Se si lancia RNA danneggiato contro queste nucleasi come distrazione, avranno altre cose su cui riflettere. Nel frattempo, il fago riesce a completare la sua replicazione e a scappare“.
Hatoum-Aslan spera che i fagi progettati con proteine anti-CRISPR saranno più efficaci nel trattamento delle infezioni resistenti agli antibiotici quando utilizzati in applicazioni terapeutiche.
“Uno dei vantaggi dell’insegnamento di Phage Discovery è l’accumulo di questa raccolta di fagi che possiamo condividere con i medici che utilizzano la terapia fagica per risolvere infezioni ostinate“, ha affermato Hatoum-Aslan. “Di recente ci siamo messi in contatto con un chirurgo ortopedico di Pittsburgh e gli abbiamo inviato alcuni dei nostri fagi S. epidermidis catturati in natura per curare i pazienti con infezioni nei loro impianti medici“.
L’obiettivo a lungo termine del laboratorio è progettare fagi terapeutici in grado di superare CRISPR-Cas e altre difese, dotandoli di proteine come AcrIIIA1.
Ma mentre la terapia fagica ha mostrato risultati promettenti in alcuni casi di studio, non è ancora diventata un trattamento di routine negli Stati Uniti. Un problema a valle che preoccupa i ricercatori è l’enorme volume di difese antifagiche impiegate dai batteri e il potenziale dei meccanismi di resistenza fagica di diffondersi rapidamente. In un articolo complementare, il laboratorio di Hatoum-Aslan ha scavato più a fondo nell’arsenale antivirale degli stafilococchi.
Mobilitazione delle difese: le cassette SCC mec come fonte di diffusione antivirale
Cercando di comprendere meglio l’intera batteria di difese antivirali negli stafilococchi,Hatoum-Aslan e il suo team hanno identificato tutte le difese note e le loro posizioni genomiche in oltre 1.000 ceppi di S. aureus e S. epidermidis. La loro analisi ha rivelato un percorso principale attraverso il quale le difese antivirali possono diffondersi.
Questa analisi, descritta in Nature Communications, ha suggerito che gli stafilococchi trasportano molte delle loro difese in o vicino a segmenti mobili di DNA noti come cassette mec SCC . Le cassette sono regioni discrete contenenti cluster di geni che possono entrare o uscire dal genoma.Le cassette mec SCC possono ritagliarsi da un genoma o incollarsi di nuovo come un singolo elemento discreto.Queste cassette possono anche sfuggire al loro batterio genitore e trasferirsi in un batterio vicino e non correlato in un processo chiamato trasferimento genico orizzontale.
“Le cassette mec SCC sono note per diffondere resistenza alla meticillina, che è uno dei nostri antibiotici di ultima istanza contro le infezioni da stafilococco“, ha affermato Hatoum-Aslan. “Una volta che ci siamo resi conto che queste cassette e le regioni limitrofe sono punti caldi per le difese antifagiche, abbiamo voluto approfondire il loro impatto sui movimenti di difesa”.
I membri del laboratorio Hatoum-Aslan hanno determinato che oltre a tagliare e incollare le cassette mec SCC, gli enzimi codificati nelle cassette mec SCC possono anche tagliare e incollare segmenti adiacenti di DNA che trasportano più sistemi immunitari anti-fagi. Hanno anche scoperto che l’infezione da fagi stimola il rilascio di queste cassette dalle cellule, facilitandone ulteriormente la diffusione. Queste scoperte hanno implicazioni per la terapia fagica, che deve fare i conti con la crescente resistenza dei fagi.
“C’è ancora molto che non sappiamo sulle difese antivirali nei batteri”, ha detto Hatoum-Aslan. “È un campo completamente aperto, ma il collo di bottiglia è capire come funzionano i sistemi di difesa. Qual è il fattore scatenante che allerta il sistema di un’infezione da fago? Come fa il sistema a eliminare il fago prevenendo danni alla cellula?“.
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In futuro, il laboratorio di Hatoum-Aslan lavorerà per identificare e caratterizzare nuovi sistemi immunitari e il modo in cui i fagi si adattano naturalmente.
“Scoprire i dettagli di questo processo evolutivo è molto istruttivo”, ha detto Hatoum-Aslan. “Ci aiuta a progettare fagi terapeutici che saranno efficaci per molti anni a venire“.
Fonte: Nature Communications