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).
