Поиск предков фермента CRISPR выявил более миллиона потенциальных инструментов редактирования генома.
Исследуя эволюционное происхождение фермента, используемого в системе редактирования генома CRISPR, ученые обнаружили более миллиона других потенциальных редакторов, скрывающихся в геномах микроорганизмов. Исследование, опубликованное 9 сентября в Science, обнаружило новые ферменты редактирования среди семейства белков под названием IscB. Считается, что эти белки являются предками фермента Cas9, известного как молекулярные ножницы CRISPR. В процессе редактирования генома Cas9 объединяется с фрагментом РНК, которая направляет фермент на поиск и разрезание определенной последовательности ДНК. Зависимость метода от РНК в качестве направляющей системы является ключевой причиной его универсальности и широкого применения, поскольку позволяет исследователям легко направлять Cas9 на тот участок генома, который они хотят изменить.
Открытие других ферментов, нацеленных на РНК, способных разрезать ДНК, может дать новые инструменты для редактирования генома, говорит ведущий автор исследования Фэн Чжан, молекулярный биолог из Массачусетского технологического института в Кембридже. "Эти программируемые белки очень полезны, помимо основного биологического интереса", - говорит он. "И этот механизм распознавания ДНК с помощью РНК, вероятно, является тем, что природа создавала самостоятельно много раз".
Хотя исследователи использовали его для генной инженерии, CRISPR считается микробной защитной системой, которая позволяет бактериям и другим археям, отбиваться от вирусов и других генетических захватчиков, посылая Cas9 для измельчения их ДНК.
Вычислительные исследования показали, что Cas9, вероятно, произошел от белков семейства IscB, которые кодируются транспозонами, или "прыгающими генами", способными перемещаться в новые места генома. До сих пор функция белков IscB оставалась неясной.
Чжан и его коллеги обнаружили, что ДНК, отвечающая за кодирование белков IscB, часто расположена рядом с ДНК для класса молекул РНК, которые они назвали ωРНК. Они также обнаружили, что некоторые белки IscB могут расщеплять ДНК в месте, указанном последовательностью ωРНК, подобно Cas9 и его направляющей РНК. Далее группа исследовала еще одно семейство белков под названием TnpB, которые считаются предками другого фермента CRISPR, связанного с разрезанием ДНК, под названием Cas12. Они обнаружили, что некоторые из этих белков также могут разрезать ДНК под действием ωРНК.
Поиск в базе данных выявил более миллиона генов, которые могут нести код для белков TnpB, а некоторые организмы содержат более 100 копий этих генов, говорит Сумья Каннан, молекулярный биолог из Массачусетского технологического института и один из первых авторов исследования. Причем гены IscB были обнаружены не только в бактериях и археях, но и в светоулавливающем хлоропласте внутри клетки водорослей. Впервые такие системы редактирования генома были обнаружены у эукариот - удивительный результат, который позволяет предположить, что они распространены гораздо шире, чем считалось ранее. "Каждый раз, когда я выступаю с докладом, люди всегда спрашивают меня, видели ли мы активность CRISPR в эукариотической клетке", - говорит Чжан. Теперь я наконец-то могу сказать "да"".
В природе эти гены могут выполнять различные функции, в том числе защищать или регулировать экспрессию других генов. А в лаборатории это открытие может стать сокровищницей инструментов для редактирования. Чжан и его коллеги обнаружили, что IscB можно использовать для разрезания человеческой ДНК, хотя и с меньшей эффективностью, чем популярная система CRISPR-Cas9. Однако Чжан говорит, что система IscB может быть усовершенствована, и отмечает, что небольшой размер белка IscB может облегчить работу с ним для некоторых приложений.
Для генетика Гаэтана Бургио из Австралийского национального университета в Канберре настоящая привлекательность исследования заключается в его вкладе в понимание эволюции - и в том, что, наконец, была определена возможная функция такой большой и распространенной группы белков, как IscBs. "Это совершенно восхитительно", - говорит он. "Исследование заполняет важный пробел: мы не знали, как эти CRISPR-системы стали CRISPR".
