AcrVIB1: Неожиданный анти-CRISPR белок, усиливающий связывание с РНК
CRISPR-Cas системы («генетические ножницы») имеют широкий спектр потенциальных применений — от лечения генетических заболеваний до противовирусной терапии и диагностики. Однако для безопасного использования их мощности ученые ищут механизмы, способные регулировать или подавлять активность этих систем. Одним из таких перспективных ингибиторов является анти-CRISPR белок AcrVIB1, точная функция которого оставалась загадкой — до сих пор.
Исследовательская группа из Института инфекционных исследований на основе РНК Гельмгольца (HIRI) в Вюрцбурге в сотрудничестве с Центром исследования инфекций Гельмгольца (HZI) в Брауншвейге раскрыла точный механизм работы AcrVIB1, который расширяет известные способы подавления CRISPR анти-CRISPR белками (Acrs). Результаты опубликованы в журнале Molecular Cell.
Бактерии и их вирусы (бактериофаги) ведут давнюю «гонку вооружений». Для защиты от атак фагов бактерии эволюционировали сложные механизмы распознавания и противодействия вторжению вирусов. В свою очередь, фаги разработали инновационные стратегии уклонения от этих защитных систем. Ярким примером этой непрекращающейся борьбы является система защиты CRISPR-Cas у бактерий, которую блокируют анти-CRISPR белки (Acrs) фагов.
Помимо своей защитной функции, анти-CRISPR белки открывают большие перспективы для более точного контроля над CRISPR-технологиями. Исследовательская группа теперь подробно описала функцию важного, но до сих пор не охарактеризованного анти-CRISPR белка.
«В предыдущем исследовании мы использовали алгоритм глубокого обучения для предсказания новых Acrs. Это привело к идентификации AcrVIB1 — первого анти-CRISPR белка, нацеленного на нуклеазу Cas13b», — говорит руководитель департамента HIRI профессор Чейз Байзел, который руководил исследованием вместе с профессором Вульфом Бланкенфельдтом из HZI.
«Нуклеаза Cas13b может распознавать и разрезать РНК. В настоящее время она используется для «выключения» генов — будь то для изучения их функции, очистки от вирусов или противодействия генетическим заболеваниям». Однако то, как белок AcrVIB1 ингибирует Cas13b, оставалось неизвестным. В своем исследовании команда представляет совершенно новый механизм блокировки.
Тупик для РНК
Нуклеаза Cas13b функционирует, взаимодействуя с CRISPR РНК (crRNA), которая служит гидом для идентификации и связывания с комплементарными последовательностями РНК, например, от фагов. После связывания с целевой РНК Cas13b может расщеплять и деградировать не только эти комплементарные молекулы РНК, но и все другие РНК в непосредственной близости.
В то время как большинство известных анти-CRISPR белков блокируют этапы этого пути (например, связывание crRNA или распознавание цели), AcrVIB1 использует радикально другую стратегию. Вместо того чтобы блокировать связывание crRNA с Cas13b, AcrVIB1 даже улучшает его. Однако образовавшаяся пара становится нефункциональной: фермент не может начать деградацию РНК, даже когда его цель присутствует. Более того, связанная crRNA становится уязвимой для атаки клеточными рибонуклеазами, которые расщепляют молекулы РНК.
«Более прочное связывание между нуклеазой и РНК-гидом было совершенно неожиданным. Более простым и изначально ожидаемым механизмом было бы просто предотвратить связывание РНК-гида», — говорит первый автор доктор Катарина Вандера, защитившая докторскую диссертацию в лаборатории Чейза Байзела.
«Тем не менее, путь, выбранный AcrVIB1, кажется более эффективным: AcrVIB1 прочно связывается с Cas13b и тем самым делает его неактивным. В то же время он увеличивает оборот РНК-гидов, превращая Cas13b в тупик для crRNA».
Команда Чейза Байзела из HIRI и лаборатория Вульфа Бланкенфельдта из HZI объединили усилия, чтобы точнее расшифровать структуру механизма ингибирования. Используя крио-электронную микроскопию, группа Бланкенфельдта показала, что AcrVIB1 связывается с Cas13b, оставляя домен связывания crRNA свободным.
«Наше открытие предоставляет основу для разработки молекул, которые могли бы имитировать или модифицировать функцию анти-CRISPR белка», — говорит Бланкенфельдт. Это первые данные, опубликованные из новой крио-электронной микроскопической установки HZI.
Обширное поле для исследований
«В будущем мы могли бы использовать такие молекулы, как AcrVIB1, для регулирования или временного отключения CRISPR-систем в самых разных приложениях», — заявляет Бланкенфельдт. Это открытие имеет потенциал для дальнейшего повышения безопасности и точности CRISPR-технологий.
«Расшифровка этого механизма также дает ценное представление о коэволюции бактерий и вирусов, которые постоянно пытаются перехитрить друг друга», — объясняет Вандера. Более глубокое понимание бактериальной резистентности может сыграть ключевую роль в разработке новых антибиотиков и расширить возможности синтетической биологии.
Таким образом, это исследование не только способствует лучшему пониманию анти-CRISPR стратегий, но и прокладывает путь для инновационных методов терапии и диагностики в медицине. «Но это только начало: безусловно, существует еще много Acrs и новых механизмов ингибирования, ожидающих своего открытия», — говорит Байзел.