Исследователи Сколтеха и их коллеги из России и США показали наличие связи между двумя компонентами системы бактериальной защиты CRISPR-Cas: один из которых уничтожает генетически чужеродные элементы, например, вирусы, а другой сохраняет эти элементы «в памяти» бактерии, записывая фрагменты их ДНК в специальную участок бактериального генома. За счет обнаруженной авторами связи бактериям удается эффективно обновлять свою иммунную память в случае заражения мутантными вариантами вируса, которые научились обходить защиту CRISPR-Cas.

Статья с описанием результатов исследования опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Система CRISPR-Cas – это механизм, который делает бактерии устойчивыми к вирусам (бактериофагам). Система CRISPR-Cas разрушает ДНК ранее встречавшихся ей «противников», сравнивая их со спейсерами, то есть короткими фрагментами генетической информации, которые хранятся в виде «библиотеки» на чипе памяти, находящемся в особой части бактериального генома.

Во время инфекции CRISPR-Cas система добавляет в библиотеку дополнительные спейсеры, взятые из ранее не встречавшихся вирусов, и таким образом учится распознавать новых «врагов». Система CRISPR-Cas использует приобретенные спейсеры для борьбы с возбудителями при повторных заражениях. Два этапа работы системы, приобретение спейсеров и их использование для защиты от заражения, называются адаптацией и интерференцией соответственно.

«Чтобы «обмануть» CRISPR-Cas систему и избежать ее защитного действия, фаги быстро приобретают мутации, которые нарушают соответствие участков их геномов и спейсеров. Поэтому для поддержания эффективной защиты система CRISPR-Cas должна постоянно обновлять набор спейсеров и делать это быстрее, чем возникают новые, мутантные варианты фагов. Системы CRISPR-Cas выработали специальный механизм «праймированной адаптации», в процессе которой существующие спейсеры, способные распознать мишень (хотя и не всегда точно), стимулируют активное формирование дополнительных спейсеров из той же молекулы ДНК, на которой находится мишень», – рассказывает первый автор статьи, научный сотрудник Сколтеха Ольга Мушарова.

Точный молекулярный механизм праймированной адаптации пока до конца не изучен, но уже сейчас понятно, что он требует тесной координации между частями механизма CRISPR, отвечающими за уничтожение чужеродных элементов и за сохранение их фрагментов в памяти. В своей новой статье профессор Сколтеха Константин Северинов, Ольга Мушарова и их коллеги смогли подтвердить существование «праймингового комплекса», включающего в себя как белки Cas1-Cas2, отвечающие за приобретение новых спейсеров, так и белок Cas3, который расщепляет вражескую ДНК после ее узнавания существующими спейсерами.

«Оказалось, часть системы CRISPR-Cas, которая разрушает чужеродную ДНК, и часть, которая получает новую информацию для создания защиты от новых чужеродных элементов в будущем, тесно связаны между собой. Это чем-то напоминает игру Whac-A-Mole, но с молотком, который мог бы не только уничтожать кротов, но еще и фотографировать их и затем использовать эти снимки в борьбе с кротами, которые появятся в будущем», – поясняет профессор Северинов.

Ученые провели эксперименты с бактерией E. coli и показали, что расщепляемые белками Cas3 фрагменты чужеродной ДНК передаются напрямую белкам Cas1-Cas2 в качестве «пре-спейсеров», заготовок для будущих спейсеров.

«Полученный нами результат имеет принципиальное значение, поскольку мы установили наличие связи, координации между процессами интерференции и адаптации, – отмечает Ольга Мушарова. – Наши результаты также показывают, как можно повысить эффективность CRISPR адаптации, а это важно для различных применений в синтетической биологии, например, при использовании бактерий для хранения информации», – добавляет она.

Ученые планируют продолжить исследование праймированной адаптации в бактериальных клетках и поиски наиболее эффективных методов создания «устройств памяти» в виде спейсеров в бактериальных ДНК. Исследование проводилось с участием специалистов Института молекулярной генетики РАН, Института биомедицинской химии РАН, Института микробиологии Ваксмана при Ратгерском университете (США) и Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого.