CRISPR-Cas компоненты работают вместе для усиления защиты от вирусов

Исследователи из Сколтеха и их коллеги из России и США показали, что два компонента бактериальной иммунной системы CRISPR-Cas — один, который уничтожает чужеродные генетические элементы, такие как вирусы, и другой, который создаёт «воспоминания» о них, сохраняя фрагменты их ДНК в специальном участке генома бактерии, — физически связаны. Эта связь помогает бактериям эффективно обновлять иммунную память при заражении мутантными вирусами, научившимися уклоняться от защиты CRISPR-Cas. Работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

CRISPR-Cas — это защитный механизм, обеспечивающий бактериям устойчивость к их вирусам (бактериофагам). Он разрушает ДНК ранее встреченных противников, «сравнивая» её со спейсерами — короткими фрагментами генетической информации, хранящимися как «библиотека» в «чипе памяти» в специальном участке бактериального генома. CRISPR-Cas «учится» распознавать новых врагов, добавляя новые вирусные спейсеры в эту библиотеку во время инфекции. Две стадии работы CRISPR — приобретение спейсеров и их использование для борьбы с повторными инфекциями — называются адаптацией и интерференцией соответственно.

«Чтобы избежать CRISPR, фаги приобретают мутации, создающие несовпадения со спейсерами. Поэтому для поддержания эффективной защиты системе CRISPR-Cas необходимо обновлять набор спейсеров быстрее, чем возникают мутантные фаги с ускользающими мутациями. Чтобы соответствовать этому требованию, системы CRISPR-Cas развили специальный механизм праймированной адаптации. Во время праймированной адаптации уже существующие спейсеры, распознающие мишень (даже неэффективно), способствуют очень эффективному приобретению дополнительных спейсеров с той же молекулы ДНК, на которой расположена мишень», — объясняет Ольга Мушарева, научный сотрудник Сколтеха и первый автор статьи.

Точный молекулярный механизм прайминга до сих пор неясен, но он требует тесной координации между уничтожающей и запоминающей частями механизма CRISPR. В новой работе профессор Сколтеха Константин Северинов, Мушарева и их коллеги смогли подтвердить существование праймингового комплекса, который включает как белки Cas1-Cas2, ответственные за приобретение новых спейсеров, так и белок Cas3, расщепляющий вражескую ДНК.

«Часть, которая уничтожает чужеродную ДНК, и часть, которая приобретает новую информацию для будущей защитной функции системы CRISPR-Cas, связаны. Это как если бы молоток в игре Whac-A-Mole мог также фотографировать кротов для будущего использования», — сказал Северинов.

В экспериментах с E. coli команда показала, что фрагменты ДНК, расщепляемые Cas3, напрямую передаются Cas1-Cas2 в качестве «преспейсеров», которые в конечном итоге становятся спейсерами. «Этот результат имеет фундаментальное значение. Мы обнаружили связь между процессами интерференции и адаптации», — говорит Мушарева. «Наши результаты также показывают, как можно сделать CRISPR-адаптацию более эффективной, что важно для использования бактериальных популяций для хранения информации».

Команда планирует продолжить исследование праймированной адаптации в бактериальных клетках и поиск наиболее эффективного способа внедрения желаемых «воспоминаний» в бактериальную ДНК в виде спейсеров.