Коллектив ученых из Сколковского института науки и технологий изучил бактерию Thermus thermophiles и узнал, как работает ее защитная система CRISPR/Cas. Она собирает генетический материал из небольшой области генома бактериофага, благодаря чему может нейтрализовать опасность еще на ранней стадии. Это открывает перспективы для генетических манипуляций как с бактериями, так и с вирусами-фагами.

Исследование опубликовано в журнале Nucleic Acids Research.

CRISPR/Cas — это защитная система, которую большинство прокариот (безъядерных одноклеточных) используют для распознавания и уничтожения чужеродного генетического материала. Она состоит из двух частей. Массив данных CRISPR, который хранится в хромосоме клетки, содержит информацию о чужеродных последовательностях РНК. А белки Cas выступают в роли «наряда полиции», который задерживает «преступника» по описанию, полученному от CRISPR РНК, и расщепляет его нуклеиновые кислоты. Существует шесть типов системы CRISPR/Cas. Самым сложным и самым малоизученным является III тип.

«Системы III типа существенно отличаются от всех остальных. Во-первых, в отличие от систем других типов, они распознают не ДНК, а чужеродную РНК. Во-вторых, как это ни странно, распознав РНК-мишень, системы этого типа тем не менее уничтожают ДНК, с которой данная РНК была транскрибирована», — рассказывает ведущий автор исследования, профессор Сколтеха Константин Северинов.

Ученые исследовали систему CRISPR/Cas III типа у бактерии T. thermophiles, которая обитает в горячих источниках по всей планете. Авторы выяснили, как она получает спейсеры — своеобразные записи для своей базы данных CRISPR. Они представляют собой фрагменты чужеродной ДНК, которые встроились в ДНК бактерии и выполняют роль «печатных форм» для CRISPR РНК. Они в дальнейшем используются для распознавания новых инфекций.

«Наименее понятным в иммунитете CRISPR является механизм появления новых спейсеров, который во многих отношениях работает скорее по ламарковскому, чем по дарвиновскому принципу. В случае систем CRISPR III типа ситуация оказывается еще сложнее, поскольку к узнаванию чужеродной РНК способны только те спейсеры, которые при встраивании в ДНК клетки были ориентированы определенным образом. Для других типов систем CRISPR/Cas такого требования нет. Нам хотелось понять, как в системе III типа удается успешно приобретать спейсеры, способные обеспечить эффективную защиту хозяйской клетки», — объяснил Северинов.

Ученые вырастили в лаборатории T. thermophiles и инфицировали их бактериофагом из горячего источника на Камчатке. Затем они наблюдали, как в бактериях появлялись спейсеры. Ученые обнаружили, что спейсеры были получены из крошечной области генома бактериофага, которая первой попадает в одноклеточное. Благодаря этому она может распознать угрозу еще на ранней стадии, что и спасает ее, считают авторы исследования. Ученые также предполагают, что спейсеры поступают из той части генома бактериофага, которая может создавать белки, борющиеся с CRISPR-системой. Поэтому для бактерии жизненно важно успеть первой, иначе ее защита будет нейтрализована.

Также ученые показали, что некоторые бактериофаги смогли выжить, даже попав под действие CRISPR/Cas III типа. Для этого им пришлось пожертвовать фрагментами ДНК, на которые был направлен основной удар CRISPR/Cas.

«Тот факт, что мы можем выявлять выжившие фаги, которые удаляют области, распознаваемые защитными CRISPR РНК, означает, что мы можем легко создавать мутанты фагов, направляя на них специально сконструированные CRISPR РНК, распознающие интересующие нас области генома. Если учесть, что нам очень мало известно о вирусах, инфицирующих термофильные бактерии, наши результаты открывают возможности для исследования этих вирусов с помощью сконструированных CRISPR РНК и определения функций отдельных видов вирусов», — резюмировал Северинов.