В микроорганизмах обнаружены скопления ферментов CRISPR, способных нарезать гены
В ходе исследования эволюционного происхождения ферментов системы редактирования генома CRISPR удалось выявить более миллиона других возможных редакторов, содержащихся в геномах микроорганизмов.
В ходе исследования, опубликованного 9 сентября в «Science» [1], были обнаружены новые ферменты редактирования из семейства белков, называемых IscB. Предполагается, что эти белки являются предшественниками фермента Cas9, известного как «молекулярные ножницы» CRISPR. При редактировании генома Cas9 связывается с фрагментом РНК, которая служит направляющей фермента на поиск и разрезание определенной последовательности ДНК. Потребность в РНК как в «системе наведения» является ключевой причиной универсальности механизма и широкого распространения в организме, поэтому это позволяет исследователям легко нацеливать Cas9 на ту область генома, которую необходимо редактировать.
По словам Фэн Чжана, молекулярного биолога из Массачусетского технологического института в Кембридже (MIT) и ведущего автора исследования, открытие других ферментов, способных прицельно связываться с РНК и разрезать ДНК, предоставляет дополнительные инструменты редактирования генома. По его словам, эти программируемые белки крайне полезны, даже помимо рамок исключительно биологической науки. Ученый предполагает, что данный механизм распознавания ДНК, управляемый посредством связывания с РНК, независимо возникал в ходе эволюции несколько раз.
Несмотря на применение механизма CRISPR исследователями в области генной инженерии, считается, что он возник как система защиты микроорганизмов (бактерий и иных одноклеточных существ, относящихся к группе архей) от вирусов и других генетических паразитов посредством выделения ферментов Cas9 для разрезания на маленькие фрагменты их ДНК. Согласно данным вычислительных исследований, Cas9, вероятно, происходят от белков семейства IscB, которые кодируются транспозонами или «прыгающими генами», способными перемещаться на новые места в геноме. До сих пор не удалось выявить точные функции белков IscB.
Чжан с соавт. обнаружили, что последовательности ДНК, ответственные за кодирование белков IscB, часто располагаются рядом с ДНК, с которых считываются последовательности РНК, которые ученые назвали ωРНК. Они также обнаружили, что некоторые белки IscB способны расщеплять ДНК в участке, определяемом последовательностью ωРНК, почти как Cas9 и направляющая его РНК.
Далее команда исследовала другое семейство белков, называемое TnpB, которое, как полагают, является предковым для другого фермента, подобного CRISPR, также способного разрезать ДНК, под названием Cas12. Они обнаружили, что некоторые из этих белков также способны посредством «прицеливания» с помощью ωРНК разрезать ДНК.
Неожиданное разнообразие
Путем поиска по базам данных было выявлено более миллиона генов, в которых могут быть закодированы белки TnpB, а, по словам Сумьи Каннан, молекулярного биолога из Массачусетского технологического института и соавтора исследования, у некоторых организмов содержится более 100 копий этих генов.
Обнаружилось, что гены, кодирующие белки IscB, присутствуют не только у бактерий и архей, но и в светозависимых хлоропластах в клетках водорослей. Впервые ученым удалось обнаружить такие системы редактирования генома у эукариот (т. е. у группы организмов, в клетках которых содержатся ядра; к ним относятся все растения и животные). Это удивительное открытие, согласно которому системы редактирования генома, подобные CRISPR, присутствуют у гораздо более широкого спектра групп живых существ, чем предполагалось ранее. По словам Чжана, во время каждого его доклада слушатели интересуются у него, не найдены ли свидетельства активности системы CRISPR у эукариот. Теперь ученый наконец-то может положительно ответить на этот вопрос.
В естественных условиях эти гены могут выполнять различные функции, включая защитную или регуляторную (контроль экспрессии других генов), а в экспериментальных условиях данное открытие предоставляет кладезь инструментов для редактирования генома. Чжан и его команда обнаружили, что IscB можно применять для разрезания ДНК человека, хотя эффективность работы этого белка несколько ниже, чем у «популярной» системы CRISPR — фермента Cas9. Однако, по словам Чжана, систему IscB можно изменить под необходимые цели. Он отмечает, что небольшой размер белка IscB может оказаться полезным в случае проведения некоторых работ.
По мнению генетика Гаэтана Берджио из Австралийского национального университета в Канберре, уникальность исследования заключается в его вкладе в понимание эволюции и, наконец, в потенциальном применении такой большой и широко распространенной группы белков, как IscB. Берджио восхищен данной работой и добавляет, что исследование заполняет важный пробел в системе знаний: до сих пор не было известно, каким образом системы редактирования CRISPR стали сами собой.