08.09.2020
Сколтех
958

В Сколтехе узнали, как бактерии собирают «разведданные» о бактериофаге

4.1

Ученые Сколтеха из лаборатории профессора Северинова исследовали малоизученный тип системы CRISPR-Cas у бактерий, обитающих в условиях чрезвычайно высоких температур. В ходе исследования было установлено, как система CRISPR-Cas распознает угрозу, собирая фрагменты генетической информации бактериофага в своей генетической «базе данных», которую она использует для борьбы с инфекциями. Понимание этого механизма открывает перспективы для дальнейших генетических манипуляций как с бактериями, так и с их вирусами-фагами.

Термальные источники Камчатки, где обитают бактерии Thermus thermophilus / ©i.baraholka.com.ru

Результаты исследования опубликованы в журнале Nucleic Acids Research. CRISPR-Cas – это класс мощных защитных систем, которые большинство прокариот используют для распознавания и уничтожения чужеродного генетического материала, например, бактериофагов. Каждая из таких систем представляет собой набор белков Cas, которые расщепляют нуклеиновые кислоты и используют фрагменты чужеродных последовательностей из массивов данных CRISPR, хранящихся в хромосоме клетки.

Белки Cas действуют подобно наряду полиции, получившему ориентировку на преступника: они образуют комплексы с короткими CRISPR РНК, содержащими информацию о генетическом «захватчике», ищут комплементарные CRISPR РНК нуклеиновые кислоты, а затем распознают и уничтожают их.

В зависимости от типа белков Cas, системы CRISPR-Cas подразделяют на шесть типов. Наименее изученным и наиболее сложным типом белков Cas 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 первый автор статьи Константин Северинов.

Он и его коллеги исследовали систему CRISPR-Cas III типа у гипертермофильной бактерии Thermus thermophilus, обитающей в горячих источниках по всему миру. Ученых интересовало, каким образом бактерия получает спейсеры, то есть «записи» для своей «базы данных» CRISPR. Спейсеры — это фрагменты чужеродной ДНК, встроившиеся в ДНК бактерии и выполняющие роль «печатных форм» для CRISPR РНК, используемых в дальнейшем для распознавания новых инфекций.

«Thermus − термофильная бактерия, она существует при температуре 65 градусов и выше, поэтому ее удобно использовать в качестве модели для биохимического и особенно структурного анализа, так как ее белки очень устойчивы. Однако, есть и отрицательный момент: бактерию Thermus, как правило, рассматривают не как микроб, а, скорее, просто как источник стабильных белков для прикладных и фундаментальных исследований, − отмечает Северинов.

– 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 системе III типа удается успешно приобретать спейсеры, способные обеспечить эффективную защиту хозяйской клетки».

Исследователи вырастили клетки T. thermophilus в лабораторных условиях и инфицировали их бактериофагом, выделенным ранее из горячего источника на Камчатке, а затем наблюдали за появлением новых спейсеров типа III в инфицированных бактериях. Ученые показали, что все новые спейсеры были получены из крошечной области генома бактериофага, который первым попадает в инфицированную клетку бактерии.

Вероятно, инфицированной клетке удается избавиться от инфекции и выжить благодаря тому, что она распознает угрозу уже на ранней стадии, а не потому, что система CRISPR III типа обладает особым внутренним механизмом, который выбирает спейсеры неслучайным образом. В результате, 50 процентов приобретенных спейсеров имеют неправильную ориентацию, а значит, не могут обеспечить защиту клетки. Исследователи предполагают, что та область фагового генома, из которого поступают спейсеры, может кодировать белки анти-CRISPR, поэтому для клетки жизненно важно, чтобы защита сработала до того, как она будет нейтрализована.

Ученые также показали, что некоторым фагам удалось уцелеть под воздействием защиты CRISPR-Cas III типа, но ради этого им пришлось пожертвовать мелкими фрагментами ДНК из целевых областей генома. «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, − объясняет Константин Северинов.

– 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 генов вирусов». Исследование было поддержано грантами Российского научного фонда (РНФ). В работе принимали участие специалисты Института молекулярной генетики РАН, Института микробиологии Ваксмана при Ратгерском университете (США) и Государственного университета Нью-Джерси (США). 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.
Вчера, 21:17
Илья Ведмеденко

Научно-производственное объединение «Энергомаш» передало в прошлом году двигатель РД-171МВ ракетно-космическому центу «Прогресс»: там его ждут стендовые испытания в составе первой ступени ракеты-носителя «Союз-5».

Вчера, 13:25
Николай Цыгикало

Создание грандиозной группировки спутников Starlink продемонстрирует принципиально новые качества, которые начинают проявляться у экстремально больших спутниковых систем. Их баллистические возможности могут оказаться неожиданными и позволят использовать такую мегагрупприровку совсем не по основному назначению. Например, можно оперативно превратить часть мирных спутников в оружие и выполнить боевую задачу, а после вернуть спутники к их обычной работе. Naked Science задался вопросом, насколько это возможно.

Позавчера, 19:27
Михаил Орлов

В последнее время Азовское море страдает от нашествий медуз-корнеротов. Местные исследователи из Азово-Черноморского филиала ВНИРО подошли к проблеме изобретательно и предложили использовать корнеротов как ценный продукт питания.

24 января
Сколтех

Коллектив ученых из Сколтеха — аспирант Егор Нужин, доцент Максим Панов и профессор Николай Бриллиантов — при помощи методов искусственного интеллекта объяснили таинственное поведение, характерное для ряда животных, — кружение.

26 января
Илья Ведмеденко

Украина, вероятно, потеряла недавно запущенный космический аппарат «Сич-2-30». Пока с ним нет устойчивой связи — или совсем никакой.

23 января
Илья Ведмеденко

(16) Психея – одно из самых необычных небесных тел в Поясе астероидов. Она может дать людям не только понимание о происхождении планет, но и невероятные по своим объемам ресурсы. Правда, придется подождать: миссия по исследованию астероида находится лишь в самом начале долгого и сложного пути.

12 января
Алиса Гаджиева

Дополнительное исследование вулканических пород формации Кибиш в Эфиопии изменило датировку найденных там костей Homo sapiens.

20 января
ТГУ

Ученые факультета физической культуры Томского государственного университета в рамках гранта, поддержанного РНФ, исследуют особенности механизма усвоения глюкозы при сахарном диабете второго типа. Для этого был организован масштабный четырехмесячный эксперимент на 240 мышах, подобного которому в мире еще никто не проводил. Животные с искусственно сформированным диабетом подвергались физической нагрузке. Установлено, что вечерние тренировки лучше снижали вес мышей мышей, а утренние – приводили к уменьшению уровня глюкозы. Предположительно, фактором, стимулирующим утилизацию глюкозы, выступил стресс. Ученые намерены проверить эту гипотезу.

24 января
Сколтех

Коллектив ученых из Сколтеха — аспирант Егор Нужин, доцент Максим Панов и профессор Николай Бриллиантов — при помощи методов искусственного интеллекта объяснили таинственное поведение, характерное для ряда животных, — кружение.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: