Алгоритм, способный анализировать сотни миллионов генетических последовательностей, выявил гены и ферменты, разрезающие ДНК, которые крайне редко встречаются в природе.
CRISPR-Cas9 наиболее известна как лабораторный инструмент для редактирования ДНК, но ее естественная функция - часть иммунной системы, которая помогает некоторым микроорганизмам бороться с вирусами. Недавно исследователи с помощью алгоритма отсортировали миллионы геномов, чтобы найти новые, редкие типы CRISPR-систем, которые со временем также можно будет использовать в качестве инструментов редактирования генома.
"Мы просто поражены разнообразием CRISPR-систем", - рассказывает Фэн Чжан, биохимик из Массачусетского технологического института и соавтор статьи, опубликованной 23 ноября в журнале Science и описывающей эти системы. " Проведя такой анализ, мы как бы убили двух зайцев одним выстрелом: и биологию изучили, и нашли потенциально полезные вещи".
Бактерии и археи используют системы CRISPR для защиты от бактериофагов. Эти системы обычно состоят из двух частей: "направляющей РНК", которая распознает и связывается с ДНК или РНК фага, и ферментов, которые разрезают или иным образом вмешиваются в генетический материал в месте, указанном направляющей РНК. До сих пор исследователи выделяли шесть типов CRISPR-систем, обозначаемых I-VI. Они обладают различными свойствами, включая тип фермента, который они используют, и способ распознавания, связывания и разрезания РНК или ДНК. Система CRISPR-Cas9, обычно используемая для генной инженерии, относится к типу II, но характеристики других типов CRISPR могут сделать их полезными для других применений.
Чтобы найти в природе разнообразные CRISPR-системы, Чжан и коллеги разработали алгоритм под названием FLSHclust, который анализирует генетические последовательности в открытых базах данных. Эти базы данных содержат сотни тысяч геномов бактерий и архей, сотни миллионов последовательностей, которые не связаны с определенным видом, и миллиарды генов, кодирующих белки. FLSHclust обнаружил CRISPR-ассоциированные гены, найдя сходство между генетическими последовательностями и сгруппировав их в около 500 миллионов кластеров.
Изучив предсказанные функции кластеров, исследователи обнаружили около 130 000 генов, так или иначе связанных с CRISPR, 188 из которых ранее не встречались, и протестировали некоторые из них в лаборатории, чтобы выяснить, что они делают. Эксперименты показали, что CRISPR-системы используют различные стратегии для защиты от бактериофагов, включая разматывание двойной спирали ДНК и разрезание ДНК таким образом, что гены могут быть вставлены или удалены. Они также выявили "анти-CRISPR" фрагменты ДНК, которые могут помочь фагу избежать бактериальной защиты.
Среди новых генов оказался код совершенно неизвестной системы CRISPR, нацеленной на РНК, которую команда назвала типом VII. Соавтор работы Юджин Кунин, биолог из Национального центра биотехнологической информации США, говорит, что найти новые CRISPR-системы становится все труднее. Тип VII - и любые другие типы, которые еще не идентифицированы, - должны быть чрезвычайно редкими в природе, добавляет он. "Чтобы найти следующий тип, вероятно, потребуются колоссальные усилия".
Трудно сказать, являются ли определенные типы CRISPR-систем редкими, потому что они в целом не нужны микроорганизмам, или же они специально приспособлены для организмов, живущих в определенной среде, поясняет Кристин Пурсель, микробиолог из Университета Париж-Сакле. Она добавляет, что, поскольку генетические базы данных, использованные в исследовании, включают фрагменты геномов, не связанные с конкретными организмами, изучить роль некоторых из новых систем будет сложно.
По словам Криса Брауна, биохимика из Университета Отаго (Новая Зеландия), сам алгоритм является большим достижением, поскольку он позволит исследователям искать другие типы белков у разных видов. "Я впечатлен тем, что они смогли сделать", - говорит он. "Это кладезь для биохимиков", - соглашается Леннарт Рандау, микробиолог из Марбургского университета в Германии. Следующим шагом, по его мнению, будет выяснение механизмов работы ферментов и систем, а также того, как их можно приспособить для биологической инженерии". Браун отмечает, что некоторые белки CRISPR измельчают ДНК случайным образом и бесполезны для инженерии. Но они настолько точно определяют последовательности ДНК или РНК, что могут стать хорошими диагностическими или исследовательскими инструментами.
Пока рано говорить о том, пригодятся ли CRISPR-системы типа VII или другие гены, обнаруженные с помощью FLSHclust, для генной инженерии, но у них есть некоторые свойства, которые могут оказаться полезными. Например, тип VII включает в себя всего несколько генов, которые можно легко поместить в вирусный вектор и доставить в клетки. Напротив, некоторые из других систем, найденных учеными, содержат очень длинные направляющие РНК, что потенциально позволяет нацеливаться на определенные генетические последовательности с беспрецедентной точностью.
