Истоки молекулярных ножниц CRISPR: эволюция из «прыгающих генов»
Современная геномная инженерия, включая систему CRISPR-Cas9, основана на древних механизмах, которые миллиарды лет назад эволюционировали у бактерий. Учёные из Колумбийского университета, Сэм Стернберг и его постдок Ченс Мирс, изучили происхождение этих систем, чтобы понять, как они работают и как можно создать новые инструменты для редактирования генома.
Исследование, опубликованное в Nature, показывает, что предшественники CRISPR-Cas9 находятся внутри транспозонов — мобильных генетических элементов, или «прыгающих генов».
Связь CRISPR-Cas9 с транспозонами
CRISPR-Cas9 у бактерий защищает клетки от вирусных инфекций, распознавая и разрезая ДНК вирусов с помощью направляющей РНК. Несколько лет назад учёные обнаружили, что эта система произошла от транспозонов, которые могут перемещаться по геному в процессе транспозиции.
«Многие биологические системы, которые мы изучаем, возникли, когда одна форма жизни заимствовала гены у другой — например, бактерия взяла гены у мобильного генетического элемента, такого как вирус, плазмида или транспозон. Затем эти гены были перепрофилированы для выполнения аналогичных биохимических реакций, но уже для совершенно другой функции», — объясняет Сэм Стернберг.
Это открытие привело к обнаружению тысяч древних транспозонов, всё ещё активных в бактериальных геномах, каждый из которых несёт РНК-направляемую ДНК-нуклеазу. Такие системы потенциально можно запрограммировать для разрезания ДНК. Однако оставался ключевой вопрос: зачем самим транспозонам, которые перемещаются с помощью ферментов-транспозаз, нужны ДНК-ножницы и направляющие РНК?
Зачем транспозонам ДНК-ножницы?
Чтобы ответить на этот вопрос, Ченс Мирс выбрал в качестве модельного организма не стандартную E. coli, а термофильную бактерию Geobacillus stearothermophilus, в геноме которой содержится множество активных «прыгающих генов».
Используя разработанные мощные анализы, которые фиксировали процесс перемещения транспозонов по бактериальному геному (в том числе между плазмидами и штаммами), учёные смогли изучить систему в целом. Они показали, что без ДНК-режущих ножниц транспозоны, хотя и могли встраиваться в новые участки генома, были подвержены очень быстрому вымиранию, так как бактерии постоянно пытаются инактивировать мобильные элементы.
Молекулярные ножницы, подобные CRISPR, предотвращали это вымирание. Они направляли копию транспозона обратно в то место, откуда он «выпрыгнул», предварительно разрезая ДНК, чтобы вставить эту копию на место.
«С помощью этой стратегии «разрезать и скопировать» транспозон может размножаться быстрее, чем происходит его необратимая потеря», — говорит Ченс Мирс.
Таким образом, самые мощные в природе редакторы геномов изначально эволюционировали, чтобы «вписывать» самих себя в геном, эгоистично обеспечивая собственное распространение.
Поиск новых систем
Поскольку CRISPR-Cas эволюционировал из транспозона, который представлен сотнями тысяч копий в бактериальном царстве, вероятно, природа создала и другие системы на основе этих генов, которые ещё предстоит открыть.
«Трудно поверить, что эволюция остановила изобретение молекулярных ножниц на генетике CRISPR-Cas. Должны существовать и другие работающие системы, и если мы их найдём, мы сможем позаимствовать эти гены и использовать их для другой цели: инженерии генома человеческих клеток», — заключает Сэм Стернберг.
Исследование раскрывает фундаментальный эволюционный принцип работы CRISPR и открывает путь к поиску и разработке новых инструментов для редактирования генома.