Как белки CRISPR находят свою цель
Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли выяснили, как белки Cas1-Cas2, ответственные за способность иммунной системы CRISPR у бактерий адаптироваться к новым вирусным инфекциям, идентифицируют участок в геноме, куда они вставляют вирусную ДНК для последующего распознавания и атаки.
Эти белки, которые недавно использовали для кодирования фильма в CRISPR-областях бактериальных геномов, полагаются на уникальную гибкость CRISPR-ДНК, чтобы распознать её как место для вставки вирусной ДНК. Это обеспечивает правильное «хранение воспоминаний» о предыдущих вирусных инфекциях.
Исследование, которое будет опубликовано 20 июля в журнале Science группой Дженнифер Дудны, использовало электронную микроскопию и рентгеновскую кристаллографию. Структуры Cas1-Cas2, зафиксированные в момент вставки вирусной ДНК в CRISPR-область, показали, что третий белок, IHF, связывается рядом с сайтом вставки и изгибает ДНК в U-образную форму. Это позволяет Cas1-Cas2 связаться одновременно с двумя частями ДНК.
Ведущие авторы, аспирант Аддисон Райт и постдок Джун-Цзе Лю, вместе с соавторами обнаружили, что для реакции требуется, чтобы целевая ДНК изогнулась и частично раскрутилась. Это происходит только в правильной цели.
CRISPR — это бактериальная иммунная система (clustered regularly interspaced short palindromic repeats), которая позволяет бактериям адаптироваться и защищаться от вирусов. Уникальная область ДНК, где хранятся фрагменты вирусной ДНК, чередуется с «короткими палиндромными повторами». Эти повторы служат сигналом распознавания для направления Cas1-Cas2 к добавлению новых вирусных последовательностей.
Специфическое распознавание этих повторов белками Cas1-Cas2 ограничивает интеграцию вирусной ДНК CRISPR-массивом. Это позволяет использовать её для иммунитета и избегать потенциально фатальных эффектов от вставки вирусной ДНК в неправильное место.
В отличие от многих ДНК-связывающих белков, которые напрямую «считывают» нуклеотиды своей последовательности-мишени, Cas1-Cas2 распознают CRISPR-повтор более косвенным способом: по его форме и гибкости. Последовательность CRISPR-повтора позволяет ему изгибаться и сгибаться именно так, как нужно для связывания с Cas1-Cas2, что позволяет белкам распознавать свою цель по форме.
Исследования из лаборатории Джорджа Чёрча в Гарвардском университете показали, что возможности Cas1-Cas2 для хранения информации можно перенаправить на запись кадров фильма, а не вирусных последовательностей, и, возможно, использовать для записи других видов информации.
Открытие механизма распознавания мишени белками Cas1-Cas2 открывает путь для модификации самих белков. Изменяя их, исследователи смогут перенаправить их на последовательности, отличные от CRISPR-повтора, и расширить их применение на организмы, не имеющие собственного CRISPR-локуса.