Учёные раскрыли механизм функционального разделения РНК, лежащий в основе происхождения CRISPR-систем типа V

CRISPR-Cas системы — это адаптивные иммунные системы прокариот, защищающие от вторжения чужеродных нуклеиновых кислот с помощью направляемых CRISPR РНК. Системы типа V (Cas12), в частности, являются одними из самых мощных инструментов для редактирования генома в фундаментальных исследованиях, медицине и сельском хозяйстве.

Исследователи под руководством профессора Гао Цайся из Института генетики и биологии развития Китайской академии наук, совместно с доцентом Лю Цзюньцзе из Университета Цинхуа и профессором Чжан Юном из Института зоологии КАН, раскрыли молекулярную инновацию, которая привела к возникновению CRISPR-Cas иммунных систем типа V.

Их результаты, опубликованные 29 сентября в журнале Cell, показывают, что функциональное разделение РНК, происходящих от транспозонов, стало ключевой инновацией, обусловившей появление иммунитета типа V.

Предыдущие исследования показали, что белками-предшественниками эффекторов Cas12 типа V являются нуклеазы TnpB, кодируемые транспозонами IS200/605. Однако молекулярные механизмы, связывающие активность транспозона и CRISPR-иммунитет, оставались неясными.

Чтобы выяснить происхождение систем типа V, учёные разработали единую стратегию поиска, объединив каталитические мотивы, структурные домены и сходство последовательностей, общие для нуклеаз TnpB и Cas12.

Проанализировав геномы прокариот и метагеномные базы данных, они идентифицировали 146 CRISPR-ассоциированных белков, подобных TnpB. С помощью филогенетического анализа, структурного предсказания на основе AlphaFold и сравнения функциональных элементов исследователи в итоге выделили шесть промежуточных клад, совместно названных TranCs, которые образуют сестринские группы для определённых линий TnpB. Примечательно, что клады 3, 11, 12, 13 и 14 происходят от IS605, тогда как ранее описанная клада 8 (Cas12n) происходит от IS607, представляя ключевые эволюционные промежуточные звенья между TnpB и Cas12.

Функциональные тесты выявили уникальный для TranCs механизм двойной направляющей РНК. Учёные обнаружили, что пять систем TranC не только использовали свои собственные CRISPR РНК (гибриды tracrRNA-crRNA) для нацеливания на ДНК, но и сохранили предковую способность использовать происходящие от транспозонов reРНК (также называемые ωРНК) для направленного расщепления ДНК. Эта способность к двойному наведению является функциональной сигнатурой, показывающей, что TranCs являются эволюционными промежуточными формами.

Крио-ЭМ анализ комплекса LaTranC-sgRNA-ДНК также выявил поразительное сходство с комплексом ISDra2 TnpB-reRNA-ДНК, с одним ключевым отличием: единая reРНК претерпела функциональное разделение на два компонента — tracrRNA и crRNA. Анализ ковариации reРНК и CRISPR РНК, а также сравнение моделей белков AlphaFold распространили это наблюдение на три клады от IS605 и IS607, установив разделение РНК как общую черту возникновения Cas12.

Важно, что инженерные эксперименты подтвердили, что искусственного разделения reРНК TnpB достаточно, чтобы превратить TnpB в CRISPR-подобную систему, способную использовать CRISPR-кассеты в качестве источника направляющих РНК. Эти результаты демонстрируют, что инновация на уровне РНК, а не крупные изменения структуры белка, стала первичным молекулярным событием, обусловившим происхождение CRISPR-Cas систем типа V.

Это исследование значимо не только для прояснения молекулярного механизма эволюции CRISPR-систем типа V, но и для идентификации набора компактных нуклеаз с гибкими направляющими РНК, что предлагает принципы для разработки CRISPR-инструментов, которые будут меньше, универсальнее и проще в управлении.