Бактериофаги подавляют CRISPR-Cas с помощью анти-CRISPR
Новое открытие не только позволит ученым лучше понять окружающий нас микробный мир, но и может дать новый способ управления биотехнологиями CRISPR-Cas.
Международная группа исследователей под руководством Питера Финерана из Университета Отаго опубликовала в журнале Nature исследование, раскрывающее новый способ подавления вирусами CRISPR-Cas иммунных систем бактерий. Это открытие может многое рассказать нам о динамике развития микроорганизмов в окружающей среде, использоваться для повышения безопасности редактирования генов и привести к созданию более эффективных альтернатив антибиотикам. "Это открытие очень интересно для научного сообщества, поскольку оно позволяет лучше понять, как можно остановить защиту CRISPR-Cas", - говорит Финеран.
CRISPR-Cas - это иммунная система бактерий, которая защищает их от инфицирования бактериофагами. Она работает путем захвата фрагментов ДНК фага и добавления их в геном бактерии. В итоге бактерия получает банк данных о прошлых фаговых инфекциях, которые она хранит в памяти, как фотороботы, и использует их для идентификации и уничтожения конкретного фага при его повторном нападении. "При появлении вируса часть его ДНК добавляется в "банк памяти" и в процессе превращается из ДНК в РНК. Каждая РНК действует как направляющая, чтобы система CRISPR-Cas могла правильно идентифицировать и уничтожить вторгшийся фаг. Каждое добавление в банк памяти разделено последовательностью повторов CRISPR, которые укладываются между каждой последовательностью фага, как закладки в книге.
"Интересно то, что фаги придумали различные способы преодоления этих защитных систем - это похоже на эволюционную гонку вооружений. У бактерий есть CRISPR-Cas, поэтому фаги разработали анти-CRISPR, что позволяет им блокировать иммунные комплексы бактерий. Мы обнаружили совершенно новый способ, с помощью которого фаги могут останавливать работу систем CRISPR-Cas", - рассказывает Финеран.
Предыдущие исследования показали, что некоторые фаги имеют в своем геноме повторяющиеся последовательности CRISPR, а в нынешней работы ученые продемонстрировали, что фаги загружают бактерии этими РНК-повторами, чтобы остановить работу CRISPR-Cas. Финеран объясняет, что эти антиCRISPR-РНК блокируют иммунные комплексы бактерий. "Фаги имеют в своих геномах компоненты бактериальных CRISPR-Cas систем. Они используют их в качестве молекулярных имитаторов, чтобы заглушить иммунную систему бактерий и позволить фагу реплицироваться", - говорит он. Группа также обнаружила, что когда фаг загружает РНК-повторы на белки CRISPR-Cas, не все нужные белки загружаются, образуя нефункциональный комплекс. "Эта молекулярная имитация разрушает защитные силы бактерий и функционирование системы; по сути, это приманка".
Основной интерес к CRISPR-Cas заключается в ее программируемости для точного редактирования геномов и интересно, что анти-CRISPR можно использовать в качестве предохранителя для отключения или настройки этой технологии. Для использования потенциала технологий CRISPR-Cas важно иметь возможность контролировать их, включать и выключать, настраивать, повышая точность и терапевтическую эффективность. "Наше открытие - первое свидетельство существования анти-CRISPR РНК, которые имеют более короткую генетическую последовательность, чем ранее обнаруженные белковые анти-CRISPR, и поскольку они основаны на известных последовательностях повторов CRISPR, у нас есть возможность конструировать анти-CRISPR РНК для всех CRISPR-Cas систем и их конкретных применений", - поясняет Финеран.
"В конечном итоге CRISPR-Cas будет использоваться для генной терапии - для исправления мутировавших генов, вызывающих заболевания, но для того, чтобы сделать ее более безопасной, необходимы анти-CRISPR, которые будут модифицировать эту технологию", - говорит он. Фаги также могут использоваться в качестве антимикробных препаратов для уничтожения патогенов, являясь альтернативой антибиотикам, но если инфицированная бактерия имеет активную систему CRISPR-Cas, то для ее нейтрализации потребуются фаги с соответствующими анти-CRISPR. "Возможность создания анти-CRISPR на заказ станет мощным инструментом в арсенале фагов. "Мы очень рады, что сможем по-новому взглянуть на то, как фаги сражаются со своими бактериальными хозяевами. Мы надеемся, что эти анти-CRISPR РНК обеспечат новый подход к управлению технологиями CRISPR-Cas", - сказал Финеран.
