Структура филамента активирует и регулирует CRISPR-Cas «белковые ножницы»

CRISPR-Cas системы помогают защищать бактерии от вирусов. Существует несколько разных типов защитных систем CRISPR-Cas, которые различаются по составу и функциям. Среди них наиболее изучены сегодня белки Cas9 и Cas12, также известные как ДНК- или «генетические ножницы», которые произвели революцию в редактировании геномов.

Исследователи из Института биотехнологии Центра наук о жизни Вильнюсского университета раскрыли структуру белковых ножниц CRISPR-Cas, обнаруженных в бактериях, и детали их механизма работы. Результаты исследования опубликованы в Molecular Cell.

Команда под руководством доктора Тамулайтиса изучает бактериальную защитную систему CRISPR-Cas10, которая действует как сенсор. При атаке вируса она посылает «сообщение», синтезируя уникальные сигнальные молекулы — циклические олигоаденилаты.

Эти сигнальные молекулы распознаются различными эффекторами — вспомогательными белками системы, усиливающими защиту. Недавний компьютерный анализ предсказал, что эффекторы CRISPR-Cas10 могут обладать разнообразной ферментативной активностью.

В этом исследовании изучался трипартитный эффектор CalpL-CalpT-CalpS, активируемый сигнальными молекулами CRISPR-Cas10. Эффектор состоит из трёх ключевых белков:

• CalpL — белок-ножницы, распознающий сигнал.
• CalpS — белок, регулирующий экспрессию генов.
• CalpT — ингибитор белка CalpS.

Используя биохимические, биофизические методы, тесты на выживаемость бактерий и криоэлектронную микроскопию (cryo-EM), учёные обнаружили, что при связывании CalpL с сигнальной молекулой он образует полимерный филамент переменного состава.

Структура филамента позволяет гетеродимеру CalpT-CalpS присоединиться, позиционируя активный центр ножниц CalpL рядом с ингибитором CalpT, что позволяет его расщепить. После расщепления CalpT, CalpS высвобождается из гетеродимера и может регулировать экспрессию генов для защиты бактерии.

Активность белковых ножниц CRISPR-Cas жёстко регулируется во времени. У них есть внутренний таймерный механизм, который активируется при связывании сигнальных молекул и образовании филамента. Этот механизм уникален по сравнению с другими подобными сенсорными эффекторными белками.

Новооткрытый механизм системы CRISPR-Cas10 иллюстрирует сложность бактериальной защиты. Эти исследования прокладывают путь к практическому применению регулируемых белковых ножниц CRISPR-Cas в качестве молекулярного индикатора инфекции.