Исследование CRISPR раскрывает неожиданную роль Cas9 как защитника бактериальной защиты

от

В начале 2000-х учёные обнаружили, как бактерии защищаются от вирусных захватчиков, называемых фагами. Они и представить себе не могли, что наткнулись на революционный инструмент, который исследователи смогут использовать для редактирования ДНК живых клеток.

Система, известная как CRISPR, встроена в геном бактерий, и с её помощью бактерии могут «запоминать» прошлые вирусные атаки, сохраняя генетические фрагменты захватчика, называемые спейсерами.

В наиболее известной версии системы CRISPR-Cas9 эти сохранённые воспоминания позже копируются в крошечные РНК-гиды, которые вооружают белок Cas9, чтобы действовать как оружие для уничтожения захватчика при следующей встрече бактерий с соответствующим фагом.

Для запуска атаки Cas9 также полагается на короткий фрагмент ДНК, называемый PAM, который служит знаком «можно разрезать здесь».

Учёные модифицировали CRISPR-Cas9 для редактирования клеток животных и человека и даже разработали генные терапии. Но один важный элемент системы CRISPR-Cas9 оставался менее понятным: как бактерии формируют новые иммунные воспоминания?

Чтобы изучить эту загадку, исследователи из лаборатории доктора Яна Чжана из отделов биологической химии, микробиологии и иммунологии Мичиганского университета перевернули распространённое представление о Cas9: что «пустая» или апо-форма Cas9, не связанная со своими обычными РНК-партнёрами, не выполняет никаких функций. Их исследование [опубликовано](https://www.nature.com/articles/s41586-025-09577-9) в журнале Nature.

До недавнего времени лишь несколько генетических исследований проливали свет на то, как система CRISPR-Cas9 формирует иммунные воспоминания, и большинство из них были ограничены системами типа II-A, используемыми бактериями Streptococcus pyogenes (более известными как стрептококк группы А) и Streptococcus thermophilus (часто встречающимися в йогурте).

В этих системах типа II-A Cas9 должна работать вместе с одной из своих РНК-партнёров, tracrRNA, чтобы помочь выбрать правильное место рядом с PAM для захвата нового воспоминания.

Однако в семействе типа II-C, которое составляет более 40% семейства Cas9, процесс приобретения памяти был менее изучен.

Команда Чжана, включая постдокторанта доктора Сюфэй Чжоу и доктора философии Синь Ли, разработала новую модельную систему для изучения приобретения памяти, используя бактерии Neisseria meningitidis (которые могут вызывать менингит), и заразила их фагом, чтобы увидеть, можно ли сформировать воспоминания в лабораторных условиях, а затем изменила части иммунного механизма, чтобы посмотреть, что произойдёт.

«Когда мы начали проект, Cas9 уже была известна как селектор PAM для приобретения памяти. Однако менее ясными были роли двух РНК, хотя мы предполагали, что они также должны быть как-то важны для Cas9, чтобы помочь бактериям приобрести новые воспоминания», — сказал Чжан.

После заражения фагом команда использовала глубокое секвенирование и информационную поддержку, предоставленную коллегами доктора Лидии Фреддолино и доктора Рученга Диао из отделов биологической химии, вычислительной биологии и биоинформатики, чтобы изучить «растущий» лидерский конец массива CRISPR. Там они увидели, что новые спейсеры, полученные из генома вируса, добавляются.

Затем они удалили ген tracrRNA и были потрясены, обнаружив, что приобретение спейсеров значительно стимулировано. Восстановление tracrRNA снизило усиленное приобретение до нормального уровня.

Аналогичная картина возникла при изучении crRNA: без crRNA Cas9 увеличивала приобретение; с восстановленной crRNA приобретение снизилось.

«Без РНК мы увидели, что формирование памяти сильно стимулировано до очень высокого уровня», — сказал Чжан. «Это действительно удивительно для нас и, я бы сказал, для всей области — потому что всегда считалось, что Cas9 нуждается в РНК-партнёрах, будь то в качестве иммунного эффектора или в качестве генного редактора. Это первое сообщение о биологической функции «пустой» апо-Cas9 без РНК».

Основываясь на этих выводах, они предположили, что Cas9 действует как монитор уровней РНК: когда содержание РНК CRISPR низкое, сигнализируя о том, что бактериальная клетка несёт короткие CRISPR и меньшее количество иммунных воспоминаний, апо-Cas9 формируется и может динамически ускорять приобретение спейсеров, чтобы защитить уязвимые бактерии от инфекции, быстро наращивая банк памяти.

Команда также продемонстрировала три естественных условия, когда бактерии могут испытывать слишком короткие массивы CRISPR.

Одно из них — на самом раннем этапе эволюции, когда массив только что родился и содержит мало — или вообще не содержит — спейсерного содержимого. На этом этапе Cas9 будет без своего РНК-партнёра CRISPR и в основном будет существовать в апо-форме.

Второй и третий сценарии связаны с внезапным сокращением более длинного массива CRISPR до более короткого, либо как способ для бактерий избавиться от нежелательных вредных или аутоиммунных воспоминаний, чтобы приобрести новые полезные черты, либо в результате гомологичной рекомбинации, события, при котором две похожие последовательности ДНК (также известные как повторы CRISPR) обмениваются участками, стирая промежуточные воспоминания CRISPR в процессе.

Это исследование расширяет известные функции Cas9 и заполняет критический недостающий элемент того, как система CRISPR-Cas9 поддерживает гомеостаз памяти.

Эта динамическая обратная связь предлагает новый способ мышления о том, как бактерии защищают глубину своей иммунной памяти. Это также может вдохновить на новых способах разработки инструментов молекулярной записи на основе CRISPR или ДНК-баркодирования для исследований и медицины.

Предоставлено: [Университет Мичигана](https://phys.org/partners/university-of-michigan/)

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте