Cas3: биологическая удочка и шредер в одном лице

Исследователи из Делфтского технического университета выяснили, как именно белок Cas3, часть CRISPR-иммунной системы бактерий, разрезает чужеродную ДНК. Оказалось, он не "ходит" по ДНК, а остаётся на месте и втягивает её, как рыбак леску.

Разнообразие CRISPR-систем

CRISPR-Cas9 — лишь одна из многих CRISPR-систем, каждая со своими свойствами. Некоторые белки делают не прямой разрез ДНК, а угловой, что повышает вероятность успешной перезаписи генома. Поиск новых систем в природе расширяет "инструментарий" для редактирования генов.

Как работает система Cascade-Cas3

В системе, изученной в работе, комплекс белков Cascade плавает в цитоплазме E. coli и обнаруживает ДНК вирусов. При встрече с вирусной ДНК Cascade связывается с ней и подаёт сигнал белку Cas3. Затем комплекс раскрывается, позволяя Cas3 зацепиться за него.

Cas3 начинает уничтожать вирусную ДНК:

  1. Хеликазный домен разделяет двуцепочечную ДНК, как молнию.
  2. Одноцепочечная ДНК попадает в нуклеазный домен белка, где разрезается на мелкие фрагменты. Cas3 сравнивают с "биологическим шредером".

Разгадка механизма

Существовали две основные гипотезы о работе Cas3:

  1. Белок отсоединяется от Cascade и "идёт" по ДНК, разрезая её.
  2. Белок остаётся с Cascade всё время и втягивает ДНК.

Используя одномолекулярные техники и флуоресцентные метки в качестве "нанометровой линейки", исследователи измерили расстояния между молекулами. Результаты показали, что Cas3 использует механизм подтягивания (reeling mechanism), оставаясь на месте.

Неэффективность как защита

Учёные обнаружили, что Cas3 работает довольно неэффективно: втягивая ДНК, он часто отпускает её, и нить отскальзывает назад, а иногда и полностью ускользает.

Исследователь Люк Лефф объясняет это логичной причиной: "В бактериальной клетке много собственной ДНК, в том числе одноцепочечной, и бактерия не хочет, чтобы Cas3 случайно уничтожил этот материал. Многократное соскальзывание и повторное подтягивание ДНК гарантирует, что Cas3 разрушает вирусную ДНК контролируемо, чтобы клетка не убила себя неожиданно. Это защитный механизм, выработанный эволюцией".

Это открытие может помочь в будущем лучше контролировать биологические механизмы для разработки более эффективных и безопасных методов редактирования генов.