Программируемые ДНК-ножницы найдены в бактериальной иммунной системе

Международная команда учёных из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) обнаружила новый и, возможно, более эффективный способ редактирования геномов. Это открытие имеет большое значение для передовых биотоплив и терапевтических препаратов, поскольку генетически модифицированные микроорганизмы, такие как бактерии и грибы, должны сыграть ключевую роль в «зелёном» химическом производстве.

Биохимик Дженнифер Даудна и её коллеги определили двухцепочечную РНК-структуру, ответственную за направление бактериального белка для разрезания чужеродной ДНК в определённых нуклеотидных последовательностях. Более того, команда обнаружила, что можно запрограммировать белок с помощью одной молекулы РНК для разрезания практически любой последовательности ДНК.

Механизм иммунитета

  • Бактерии и археи используют адаптивную иммунную систему на основе нуклеиновых кислот, которая вращается вокруг генетического элемента CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats).
  • Комбинация CRISPR и ассоциированных эндонуклеаз, называемых Cas-белками, позволяет микроорганизмам использовать небольшие молекулы crRNA (CRISPR-derived RNA) для нацеливания и уничтожения ДНК вторгающихся вирусов и плазмид.

Открытие в системе Type II

Исследователи изучили систему Type II, которая полагается исключительно на одно семейство эндонуклеаз — белки Cas9.

  • Было обнаружено, что crRNA соединяется посредством спаривания оснований с tracrRNA (trans-activating RNA), образуя двухкомпонентную РНК-структуру (tracrRNA:crRNA).
  • Эти двойные молекулы РНК направляют белки Cas9 для создания двуцепочечных разрывов ДНК в специфических сайтах, на которые нацелена последовательность-гид crRNA.

Перспективы для генной инженерии

  • Учёные продемонстрировали, что двойные молекулы tracrRNA:crRNA могут быть сконструированы как единая химерная РНК для сайт-специфического разрезания ДНК.
  • Это открывает путь к РНК-программируемому редактированию генома.
  • Система CRISPR может быть перенесена в гетерологичные бактериальные штаммы, и есть свидетельства её горизонтального переноса в природе.

Будущие шаги

Исследователи сейчас изучают детали механизма РНК-направленного разрезания и тестируют, будет ли система работать в эукариотических организмах, включая грибы, червей, растения и человеческие клетки. Хотя редактирование генома ещё не продемонстрировано, описанный механизм делает эту возможность очень реальной.