CRISPR — згруповані регулярні короткі паліндромні повтори — це відповідь мікробного світу на адаптивний імунітет. Бактерії не виробляють антитіл, коли їх захоплюють патогени, а потім блокують ці антитіла, якщо вони знову стикаються з тим самим збудником, як ми. Натомість вони інтегрують частину ДНК збудника у свій геном і приєднують його до ферменту, за допомогою якого вони можуть розпізнати послідовність ДНК патогена та розрізати її на частини, якщо збудник знову з’явиться.
Фермент, який розрізає, називається Cas, на честь CRISPR. Хоча система CRISPR-Cas розвивалася як механізм захисту бактерій, вона була використана та адаптована дослідниками як потужний інструмент для генетичних маніпуляцій у лабораторних дослідженнях. Він також довів своє використання в сільському господарстві, і перше лікування на основі CRISPR було схвалено у Сполученому Королівстві для лікування серповидно-клітинної анемії та бета-таласемії, залежної від переливання крові.
Тепер дослідники розробили новий спосіб пошуку геномів для CRISPR-Cas-подібних систем. Вони виявили, що у нас може бути багато додаткових інструментів для роботи.
Модифікація ДНК
На сьогоднішній день у різних мікробів ідентифіковано шість типів систем CRISPR-Cas. Незважаючи на те, що вони відрізняються в деталях, усі вони мають однакову привабливість: вони доставляють білки до певної послідовності генетичного матеріалу з таким ступенем специфічності, якого досі було технічно складно, дорого та довго. Будь-яку послідовність ДНК, що представляє інтерес для системи, можна запрограмувати та націлити.
Рідні системи мікробів зазвичай вводять екзонуклеазу — фермент, який розщеплює ДНК — у послідовність, подрібнюючи генетичний матеріал патогенів. Цю здатність можна використовувати для вирізання будь-якої обраної послідовності ДНК для редагування генів; У поєднанні з ферментами та/або іншими послідовностями ДНК його можна використовувати для вставки або видалення додаткових коротких послідовностей, а також для виправлення мутантних генів. Деякі системи CRISPR-Cas розрізають специфічні молекули РНК замість ДНК. Вони можуть бути використані для усунення хвороботворної РНК, наприклад, геномів деяких вірусів, так само, як вони усуваються в природних бактеріях. Це також можна використовувати для порятунку дефектів у процесингі РНК.
Але існує багато додаткових способів модифікації нуклеїнових кислот, які можуть бути корисними. Залишається відкритим питання, чи еволюціонували ферменти, які вносять додаткові модифікації. Тому деякі дослідники вирішили їх пошукати.
Дослідники з MIT розробили новий інструмент для виявлення варіантів масивів CRISPR і застосували його до 8,8 тера (1012) пар основ прокаріотичної геномної інформації. Багато систем, які вони виявили, є рідкісними і з’явилися в наборі даних лише за останні 10 років, що підкреслює, наскільки важливо продовжувати додавати зразки навколишнього середовища, які раніше було важко отримати в ці сховища даних.
Новий інструмент був потрібний, оскільки бази даних послідовностей білків і нуклеїнових кислот розширюються неймовірною швидкістю, тому методи аналізу всіх цих даних повинні йти в ногу з часом. Деякі з алгоритмів, які використовуються для їх аналізу, намагаються порівняти кожну послідовність з будь-якою іншою послідовністю, що явно неприпустимо, коли ми маємо справу з мільярдами генів. Інші покладаються на кластеризацію, але знаходять лише дуже схожі гени, тому вони не можуть пролити світло на еволюційні зв’язки між віддалено спорідненими білками. Але швидка кластеризація на основі хеш-тегів («флеш-складання») працює шляхом групування мільярдів білків у менші та більші набори послідовностей, які лише незначно відрізняються, щоб ідентифікувати нових і рідкісних родичів.
Пошук за допомогою FLSHclust успішно витягнув 188 нових систем CRISPR-Cas.
Багато CRISPyness
Деякі теми випливають із твору. Одна з них полягає в тому, що деякі з нещодавно ідентифікованих систем CRISPR використовують ферменти Cas з доменами, які ніколи раніше не спостерігалися, або здаються злитими з відомими генами. Вчені також охарактеризували деякі з цих ферментів і виявили, що один є більш специфічним, ніж ферменти CRISPR, які зараз використовуються, а інший розрізає РНК, яка, на їхню думку, є достатньо структурно відмінною, щоб включити абсолютно нову систему CRISPR-Cas типу 7.
Наслідком цієї теми є зв’язування ферментів із різними функціями, а не лише нуклеаз (ферментів, які розрізають ДНК і РНК), із масивами CRISPR. Вчені використали дивовижну здатність CRISPR націлюватися на гени, приєднуючи його до інших типів ферментів і молекул, таких як флуоресцентні барвники. Але, очевидно, еволюція дійшла туди першою.
Наприклад, FLSHclust визначив щось під назвою транспозаза, яка пов’язана з двома різними типами систем CRISPR. Транспозаза – це фермент, який допомагає перенести певну частину ДНК в іншу частину геному. Трансформацію, спрямовану на РНК CRISPR, бачили раніше, але це ще один її приклад. Цілий ряд білків з різними функціями, таких як білки з трансмембранними доменами та сигнальними молекулами, були виявлені пов’язаними з масивами CRISPR, підкреслюючи природу змішування та відповідності в еволюції цих систем. Вони навіть знайшли білок, що експресується вірусом, який зв’язується з масивами CRISPR і робить їх неактивними, причому вірус фактично вимикає систему CRISPR, яка еволюціонувала для захисту від вірусів.
Дослідники не тільки знайшли нові білки, пов’язані з масивами CRISPR, вони також виявили інші повторювані масиви з регулярними інтервалами, які не були пов’язані з жодними ферментами Cas, подібні до CRISPR, але не CRISPR. Вони не впевнені у функціонуванні цих РНК-керованих систем, але припускають, що вони задіяні в захисті, як і CRISPR.
Автори вирішили знайти «список РНК-керованих білків, які розширюють наше розуміння біології та еволюції цих систем і забезпечують відправну точку для розробки нових біотехнологій». І, здається, вони досягли своєї мети: «Результати цієї роботи демонструють безпрецедентну регулятивну та функціональну гнучкість і модульність систем CRISPR», — пишуть вони. Далі вони роблять висновок: «Це становить лише невелику частину виявлених систем, але це підкреслює широту невикористаного потенціалу біорізноманіття Землі». , біорізноманіття Землі, а інші кандидати слугуватимуть ресурсом для майбутніх досліджень.
DOI статті: 10.1126/science.adi1910
“Професійний вирішувач проблем. Тонко чарівний любитель бекону. Геймер. Завзятий алкогольний ботанік. Музичний трейлер”
