Учёные определили ключевой фермент в иммунной системе микробов

Микробы, такие как бактерии и археи, постоянно атакуются вирусами и плазмидами. Для защиты они используют адаптивную иммунную систему на основе нуклеиновых кислот, которая сосредоточена вокруг генетического элемента CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats).

Вместе с CRISPR-ассоциированными (Cas) белками микробы используют небольшие кастомные молекулы РНК, чтобы "замолчать" ключевые части генетического сообщения захватчика и получить иммунитет к будущим аналогичным вторжениям.

Исследовательская группа под руководством биохимика Дженнифер Даудны из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) и Калифорнийского университета в Беркли определила ключевой фермент этой системы. С помощью белковой кристаллографии на синхротроне Advanced Light Source они создали атомную модель эндорибонуклеазы Csy4.

Csy4 — это фермент у прокариот, который инициирует производство CRISPR-производных РНК (crRNAs). Именно эти малые РНК нацеливаются на вторгшиеся вирусы и плазмиды и подавляют их.

"Наша модель показывает, что Csy4 и родственные эндорибонуклеазы используют изысканный механизм распознавания, чтобы отличать crRNAs от других клеточных РНК и обеспечивать избирательное производство crRNA для приобретённого иммунитета у бактерий", — говорит Дженнифер Даудна.

Исследователи также обнаружили функциональное сходство между механизмом распознавания РНК у Csy4 и ферментом Dicer, который играет критическую роль в РНК-интерференции у эукариот.

Как работает система CRISPR/Cas:

  1. При вторжении вируса или плазмиды бактерия встраивает фрагмент чужой ДНК в свой CRISPR-локус как новый "спейсер".
  2. CRISPR-локус транскрибируется в длинную РНК — pre-crRNA.
  3. Фермент Csy4 разрезает эту pre-crRNA внутри повторяющихся элементов, создавая crRNAs длиной около 60 нуклеотидов.
  4. Cas-белки используют последовательности crRNA, чтобы связать её с вторгшимся вирусом или плазмидой и "замолчать" их.

Кристаллографическая структура Csy4, связанного с его РНК, с разрешением 1.8 Å показала, что фермент осуществляет специфичные к последовательности взаимодействия в большой бороздке CRISPR РНК. Это объясняет избирательную переработку РНК этим семейством ферментов.

Исследование, поддержанное грантами Национального научного фонда (NSF) и Фонда Билла и Мелинды Гейтс, опубликовано в журнале Science.