Представьте, что бактерии и вирусы соревнуются в гонке вооружений.
Для многих бактерий одной из линий защиты от вирусной инфекции является сложная управляемая РНК «иммунная система» под названием CRISPR-Cas. В центре этой системы находится комплекс наблюдения, который распознает вирусную ДНК и запускает ее разрушение. Однако вирусы могут нанести ответный удар и вывести из строя этот наблюдательный комплекс, используя белки «анти-CRISPR», хотя до сих пор никто точно не выяснил, как работают эти анти-CRISPR..
Впервые исследователи раскрыли структуру вирусных анти-CRISPR-белков, прикрепленных к бактериальному контрольному комплексу CRISPR, точно показав, как вирусы выводят из строя бактериальную защитную систему. Исследовательская группа под руководством биолога Габриэля К. Ландера из Научно-исследовательского института Скриппса (TSRI) обнаружила, что анти-CRISPR-белки блокируют способность CRISPR идентифицировать вирусный геном и атаковать его. Один анти-CRISPR-белок даже «имитирует» ДНК, чтобы сбить с толку машину обнаружения, управляемую CRISPR.
«Удивительно, как эти системы превосходят друг друга, - сказал Ландер. «Все возвращается к этой эволюционной гонке вооружений».
Новое исследование, проведенное совместно с Блейком Виденхефтом из Университета штата Монтана, было недавно опубликовано в журнале Cell. Если комплексы CRISPR кажутся вам знакомыми, то это потому, что они находятся в авангарде новой волны технологий редактирования генома. CRISPR (произносится как «четче») означает «группированные короткие палиндромные повторы с регулярными промежутками». Ученые обнаружили, что они могут использовать естественную способность CRISPR разрушать участки вирусной РНК и использовать системы CRISPR для удаления нежелательных генов практически из любого организма.
«Хотя CRISPR-Cas9 является «знаменитой» системой CRISPR, существует 19 различных типов систем CRISPR, каждая из которых может иметь уникальные преимущества для генной инженерии. Это огромный неиспользованный ресурс», - сказал Ландер. «Чем больше мы узнаем о структуре этих систем, тем больше мы можем использовать их в качестве инструментов редактирования генома».
Используя метод визуализации с высоким разрешением, называемый криоэлектронной микроскопией, исследователи обнаружили три важных аспекта систем CRISPR и анти-CRISPR.
Во-первых, исследователи точно увидели, как комплекс наблюдения CRISPR анализирует генетический материал вируса, чтобы увидеть, где он должен атаковать. Белки внутри комплекса обвивают РНК CRISPR, как хватательная рука, обнажая определенные участки бактериальной РНК. Эти участки РНК сканируют вирусную ДНК в поисках распознаваемых ими генетических последовательностей.
«Эта система может быстро считывать огромные участки ДНК и точно попадать в цель», - сказал Ландер. Если комплекс CRISPR идентифицирует ДНК-мишень вируса, машина наблюдения задействует другие молекулы для уничтожения генома вируса.
Далее исследователи проанализировали, как вирусные анти-CRISPR белки парализуют комплекс наблюдения. Они обнаружили, что один тип анти-CRISPR-белка покрывает открытую часть РНК CRISPR, тем самым не позволяя системе CRISPR сканировать вирусную ДНК.
«Эти анти-CRISPR белки не позволяют бактериям распознавать вирусную ДНК», - объяснил Ландер. Он назвал эти анти-CRISPR-белки «исключительно умными», потому что они, по-видимому, эволюционировали, чтобы воздействовать на важнейшую часть механизма CRISPR. Если бы бактерии мутировали этот механизм, чтобы избежать вирусных атак, система CRISPR перестала бы функционировать. «Системы CRISPR не могут избавиться от этих анти-CRISPR-белков без полного изменения механизма, который они используют для распознавания ДНК», - сказал он..
Другой анти-CRISPR белок использует другой трюк. Основываясь на своем расположении и отрицательном заряде, исследователи полагают, что этот анти-CRISPR-белок действует как имитатор ДНК, заставляя CRISPR связываться с этим иммобилизующим белком, а не с вторгающейся вирусной ДНК.
«Эти результаты важны, потому что мы знали, что белки анти-CRISPR блокируют бактериальную защиту, но мы понятия не имели, как именно», - сказал Ландер.
Исследователи полагают, что новое понимание анти-CRISPR-белков может в конечном итоге привести к созданию более сложных и эффективных инструментов для редактирования генов. Возможно, анти-CRISPR-белки можно использовать в системах CRISPR, чтобы заблокировать редактирование генов, или исследователи могут разлагать анти-CRISPR-белки, чтобы инициировать редактирование генов. «Это может сработать как выключатель для CRISPR», - сказал Ландер.