Обнаружены новые белки-анти-CRISPR в почве и кишечнике человека
Ученые из Центра биологической устойчивости Фонда Ново Нордиск (DTU) обнаружили четыре новых белка-анти-CRISPR, распространенных в различных средах. Исследование, опубликованное в Cell Host & Microbe, показывает, что некоторые белки-анти-CRISPR в природе встречаются чаще, чем предполагалось. В будущем их можно будет использовать для лучшего регулирования активности систем CRISPR-Cas9.
Системы CRISPR — это бактериальный иммунитет, позволяющий целенаправленно бороться с инфицирующими вирусами (фагами). Благодаря программируемости, системы CRISPR, особенно Cas9, широко используются в биотехнологиях с потенциалом для создания прорывной генной терапии, новых антибиотиков и средств от малярии.
В ходе эволюционной "гонки вооружений" фаги развили белки-анти-CRISPR, чтобы преодолевать бактериальную защиту. Эти белки быстро подавляют систему защиты бактерии, делая ее уязвимой для инфекции.
Несмотря на важность, до сих пор было обнаружено лишь несколько таких белков у ограниченного круга бактерий. Существующие анти-CRISPR не широко распространены в природе и были идентифицированы путем изучения ДНК фагов, способных заражать бактерии с CRISPR-Cas9. Этот метод требует возможности культивировать бактерии и наличия фагов, избегающих защиты системы.
"Мы использовали другой подход, сфокусированный на функциональной активности анти-CRISPR, а не на сходстве последовательностей ДНК. Это позволило найти анти-CRISPR у бактерий, которые не обязательно можно культивировать или заразить фагами. И результаты действительно впечатляющие", — говорит постдок Рубен Васкес Урибе.
Анти-CRISPR в образцах фекалий
Исследователи выявили гены анти-CRISPR, используя общую ДНК из четырех образцов человеческих фекалий, двух образцов почвы, одного образца фекалий коровы и одного — свиньи. ДНК была нарезана на мелкие фрагменты и случайным образом экспрессирована на плазмиде внутри бактериальной клетки. Клетка содержала генетическую схему для отбора по активности анти-CRISPR. Клетки с плазмидой, несущей потенциальный ген анти-CRISPR, становились устойчивыми к определенному антибиотику, а клетки без такой активности — погибали.
С помощью этой системы ученые смогли легко обнаружить и отобрать ДНК с активностью анти-CRISPR и отследить ее происхождение. Используя этот метагеномный подход, они идентифицировали одиннадцать фрагментов ДНК, обходящих активность Cas9.
Дальнейшая характеристика подтвердила активность четырех новых анти-CRISPR. Филогенетический анализ показал, что гены, найденные в образцах фекалий, присутствуют у бактерий из различных сред: кишечника насекомых, морской воды и пищи.
Это демонстрирует, что вновь обнаруженные гены распространены во многих ветвях бактериального "древа жизни", причем в некоторых случаях есть свидетельства их многократного горизонтального переноса в ходе эволюции.
"Тот факт, что обнаруженные нами анти-CRISPR так распространены в природе, говорит об их полезности и большом биологическом значении", — говорит профессор Мортен Соммер.
Эти находки предполагают, что анти-CRISPR, вероятно, играют гораздо большую роль во взаимодействии фага и хозяина, чем считалось ранее.
Полезный "выключатель" для редактирования генома
Предыдущие исследования показали, что белки-анти-CRISPR можно использовать для снижения ошибок (например, разрезания ДНК вне целевых участков) при редактировании генома в лаборатории.
"Сегодня большинству исследователей, использующих CRISPR-Cas9, трудно контролировать систему и ее побочную активность. Поэтому системы анти-CRISPR очень важны — вам нужно включать и выключать свою систему, чтобы тестировать активность. Эти новые белки могут стать очень полезными", — отмечает Мортен Соммер.
Исследователи обнаружили, что четыре новых белка-анти-CRISPR, по-видимому, обладают разными характеристиками и свойствами. Их дальнейшее изучение представляет большой интерес.