Учёные раскрыли механизм функционального расщепления РНК, стоящий за возникновением систем CRISPR типа V

от

Системы CRISPR-Cas — это адаптивные иммунные системы, обнаруженные у прокариот, которые защищают от вторжения нуклеиновых кислот посредством расщепления РНК, направляемого CRISPR. Системы типа V CRISPR-Cas (Cas12) особенно важны как один из наиболее мощных инструментов для редактирования генома в фундаментальных исследованиях, медицине и сельском хозяйстве.

Группа исследователей под руководством профессора Гао Цайся из Института генетики и биологии развития (IGDB) Китайской академии наук (CAS) вместе с доцентом Лю Цзюньцзе из Университета Цинхуа и профессором Чжан Юн из Института зоологии CAS раскрыла молекулярные механизмы, которые привели к возникновению иммунных систем CRISPR-Cas типа V.

Их результаты, опубликованные 29 сентября в журнале Cell, показывают, что функциональное расщепление РНК, полученной из транспозонов, стало ключевым инновационным фактором, обусловившим появление иммунитета CRISPR-Cas типа V.

Предыдущие исследования показали, что предковые белки эффекторов типа V Cas12 являются нуклеазами TnpB, кодируемыми транспозонами IS200/605. Однако молекулярные механизмы, связывающие активность транспозонов и иммунитет CRISPR, оставались неясными.

Чтобы изучить происхождение систем CRISPR-Cas типа V, исследователи разработали единую стратегию поиска, сочетающую каталитические мотивы, структурные домены и сходство последовательностей, общих между TnpB и нуклеазами Cas12.

Путем поиска в геномах прокариот и метагеномных базах данных они идентифицировали 146 белков, подобных TnpB, связанных с CRISPR. С помощью филогенетического анализа, структурных предсказаний на основе AlphaFold и сравнений функциональных элементов исследователи в итоге идентифицировали шесть промежуточных клад, названных TranCs, которые образуют родственные группы с конкретными линиями TnpB. Примечательно, что клады 3, 11, 12, 13 и 14 происходят из IS605, тогда как ранее описанная клада 8 (Cas12n) возникает из IS607, представляя ключевые эволюционные промежуточные звенья между TnpB и Cas12.

Функциональные анализы выявили уникальный для TranCs механизм с двумя направляющими РНК. Исследователи обнаружили, что пять систем TranC не только использовали свои встроенные РНК CRISPR (гибриды tracrRNA-crRNA) для нацеливания на ДНК, но и сохранили предковую способность использовать РНК, полученные из транспозонов (также называемые ωРНК), для направления расщепления ДНК. Эта способность к двойному наведению обеспечивает функциональную характеристику, показывающую, что TranCs являются эволюционными промежуточными звеньями.

Анализ с помощью криоэлектронной микроскопии комплекса LaTranC-sgRNA-DNA также выявил поразительное сходство с комплексом ISDra2 TnpB-reRNA-DNA, с одним решающим отличием: одна РНК reRNA подверглась функциональному расщеплению на два компонента: tracrRNA и crRNA.

Анализ ковариации РНК и ремоделирование белков AlphaFold подтвердили это наблюдение в трёх кладах из IS605 и IS607, установив расщепление РНК как общий признак возникновения Cas12.

Важно отметить, что инженерные эксперименты подтвердили, что искусственного расщепления reRNA TnpB было достаточно для преобразования TnpB в систему, подобную CRISPR, способную использовать массивы CRISPR в качестве источника направляющих РНК. Эти результаты показывают, что инновации на уровне РНК, а не значительные структурные изменения белков, были основным молекулярным событием, обусловившим возникновение систем CRISPR-Cas типа V.

Это исследование важно не только для прояснения молекулярного механизма, стоящего за эволюцией систем CRISPR типа V, но и для выявления набора компактных нуклеаз с гибкими направляющими РНК, предлагающих принципы проектирования для разработки более мелких, универсальных и простых в управлении инструментов CRISPR.

Источник: [Китайская академия наук](https://phys.org/partners/chinese-academy-of-sciences/)

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте