Фрагменты вирусных генов сохраняются в «библиотеке» бактериальной системы CRISPR/Cas строго в той последовательности, в которой бактерия сталкивалась с этими вирусами. Такое точное соблюдение хронологии оказалось важным для обеспечения эффективности работы «бактериального иммунитета». Об этом рассказывает статья, опубликованная журналом Molecular Cell.

Система CRISPR/Cas позволяет бактериям справляться с атаками вирусов. Она включает белки-нуклеазы семейства Cas, способные разрезать чужеродные генетические элементы, которые оказались в клетке и совпали с «образцами» — короткими молекулами РНК. Направляющие РНК синтезируются на основе последовательностей, записанных в специальной области бактериальной хромосомы — CRISPR. Здесь, как в библиотеке, сохраняются фрагменты геномов вирусов, с которыми сталкивалась сама бактерия или ее предок, передавший ей эту ДНК.

Новые фрагменты (спейсеры) добавляются в CRISPR строго с одного лидирующего (5’-) конца, разделяясь повторяющимися одинаковыми фрагментами. В результате последовательность расположения спейсеров отражает хронологию встреч бактерии с вирусами: самые недавние угрозы оказываются в самом начале CRISRP-кассеты. Как показали Лучано Марраффини (Luciano Marraffini) и Йон Макгинн (Jon McGinn) из Рокфеллеровского университета, эта особенность усиливает эффективность работы системы CRISPR/Cas.

Лидирующий конец CRISRP-кассеты в хромосоме отмечен особой последовательностью нуклеотидов, за которой расположен первый повтор, следом — первый (самый новый) спейсер, затем второй повтор, второй спейсер и т.д. Марраффини и Макгинн изучили роль этой лидирующей последовательности в CRISPR/Cas-системе Streptococcus pyogenes.

Авторы получили ГМ-линии бактерий, у которых из 102 пар нуклеотидов, составляющих лидирующую последовательность, были удалены 5, 15 или 25 пар. При встрече с бактериофагом ни один из этих штаммов не интегрировал фрагменты его генома с лидирующего конца своих CRISPR-кассет. Однако в целом работу «иммунной» CRISPR/Cas-системы это не нарушало: ученые выяснили, что способность добавлять новые спейсеры у них сохраняется, хотя это и происходит в случайном месте кассеты, а не строго с 5’-конца.

Кроме того, Марраффини и Макгинн показали, что бактерии, у которых пополнение «коллекции спейсеров» в CRISPR-кассете идет не в строгой хронологической последовательности, а случайным образом, быстро проигрывают в конкуренции с «дикими» штаммами, у которых этот процесс развивается на лидирующем конце CRISPR. Такие микробы смогли противостоять умеренной вирусной атаке, но массированное заражение бактериофагами переносили намного хуже.

Ученые предполагают, что этот эффект связан с последовательным считыванием «записей» из CRISPR-кассеты. Направляющие РНК, необходимые для работы Cas-нуклеаз, синтезируются начиная с лидирующего конца, и молекул РНК, связанных с самой недавней, наиболее актуальной угрозой, оказывается больше. Повышенное количество молекул направляющей РНК может обеспечивать выживание бактерии в условиях атаки бактериофагов на бактериальное сообщество, когда каждая погибшая клетка выделяет в среду мириады вирусных частиц.

Способность бактериальных нуклеаз Cas9 точечно разрезать ДНК, руководствуясь образцами направляющей РНК, делает CRISPR/Cas-систему самым перспективным методом генетической модификации других организмов — в том числе и человека. В последние годы ученые и медики активно осваивают этот метод, который обещает эффективные подходы для борьбы с ВИЧ и некоторыми видами онкологических заболеваний.

Автор: Роман Фишман