Знаменитый инструмент редактирования генов CRISPR был открыт как бактериальная защита от вторгшихся вирусов.
Но оказалось, что предполагаемые жертвы украли CRISPR для своих собственных арсеналов. Новое исследование показывает, что тысячи вирусов, нападающих на бактерии, известные как бактериофаги (сокращенно фаги), содержат генетические последовательности системы CRISPR, что позволяет предположить, что они могут использовать их против конкурирующих фагов. Эта находка свидетельствует о силе молекулярного оружия и может сделать CRISPR еще более ценным лабораторным генным редактором. Это открытие "открывает двери для возможных новых применений систем CRISPR", - считает генетик Мажар Адли из Медицинской школы Файнберга Северо-Западного университета США, не принимавший участия в исследовании.
Как и другие вирусы, фаги не могут размножаться самостоятельно. Вместо этого они взламывают молекулярный механизм бактерий, часто убивая при этом своих хозяев. Система CRISPR позволяет бактериям дать отпор. Она включает повторяющиеся участки ДНК, которые соответствуют последовательностям ранее встречавшихся фагов. Если эти же фаги снова атакуют бактерию, она использует эту повторяющуюся ДНК для кодирования нитей РНК, которые могут направлять фермент-партнер, действующий как генетические ножницы, для разрезания генома фага в определенных местах. Примерно в течение последнего десятилетия ученые работали над тем, чтобы превратить эту иммунную защиту в метод редактирования генов для множества применений, включая улучшение защиты сельскохозяйственных культур, обнаружение патогенов и борьбу с такими заболеваниями, как рак.
Характерная ДНК, кодирующая компоненты системы CRISPR, ранее была обнаружена в нескольких фагах. Но ученые считали эти находки просто "курьезом", - рассказывает структурный биолог Дженнифер Дудна из Калифорнийского университета в Беркли, которая в 2020 году разделила Нобелевскую премию по химии за то, что показала, как приспособить систему CRISPR для воздействия на определенные последовательности. "Но они заставили нас задуматься, не встречаются ли такие системы более широко".
Чтобы выяснить это, Дудна, геомикробиолог Джиллиан Бэнфилд из Калифорнийского университета и их коллеги отправились на поиски дополнительных примеров CRISPR в мире фагов. Они исследовали ДНК, взятые из различных сред, богатых бактериями-хозяевами вирусов, включая почву и ротовую полость человека. В результате этого поиска было обнаружено более 6000 видов фагов, содержащих ДНК системы CRISPR, сообщили ученые 23 ноября в журнале Cell. Они также изучили геномные последовательности фагов, которые были размещены в онлайновых базах данных, и обнаружили еще больше примеров вирусов, несущих CRISPR. Хотя менее 1% фагов имеют такие последовательности, исследователи не ожидали "такого широкого распространения антифаговой системы в фагах", - говорит Дудна.
Зачем фагам обзаводится системой, которая эволюционировала, чтобы помешать им? Наиболее вероятной причиной, по словам Дудны, является желание победить конкурентов. По ее словам, несколько вирусов могут атаковать бактерию одновременно, что приводит к "фаговым войнам" внутри зараженной клетки. Бактерии также уязвимы к нежелательным нитям ДНК, известным как плазмиды, которые заставляют клетки копировать их. Уничтожив этих соперников с помощью системы CRISPR, фаги "могут получить механизм репликации в свое распоряжение", - объясняет Дудна.
По ее словам, фаги предположительно украли эти последовательности системы CRISPR у своих микробных жертв. С тех пор вирусы приспособили эти системы для своих целей. Например, некоторые фаги, похоже, утратили способность генерировать определенные молекулы, способные убивать бактерии, возможно, чтобы сохранить своих хозяев для производства большего количества фагов.
Хитрости фагов по редактированию генов могут вдохновить новые биотехнологии. Например, большинство подходов, основанных на CRISPR, в настоящее время опираются на фермент Cas9 для разрезания ДНК. Однако Cas9 настолько велик, что не помещается в некоторые вирусы, используемые для генетической модификации клеток. Однако ряд фагов может похвастаться уменьшенной версией, известной как Cas-lambda, которая примерно на 50% меньше, обнаружили сотрудники Дудны. Адли утверждает, что этот уменьшенный фермент может позволить использовать CRISPR для редактирования генов, например, для изменения геномов растений, хотя исследователям сначала придется преодолеть несколько биоинженерных препятствий.
Микробиолог Джозеф Бонди-Деноми из Калифорнийского университета в Сан-Франциско говорит, что Дудна и Бэнфилд продемонстрировали синергию на уровне "Джон Леннон - Пол Маккартни" в поиске такого количества фагов, несущих CRISPR, которые ускользнули от других ученых. Тем не менее, он хочет увидеть доказательства того, что фаги действительно используют свои системы CRISPR при вторжении в бактерии. Бонди-Деноми также подозревает, что еще много фагов, использующих CRISPR, ждут своего открытия. " Дальше - больше", - говорит он.
