Определены молекулы-предшественники создания ДНК «памяти» защитных систем бактерий CRISPR-Cas

Ученые из лаборатории Константина Северинова в Сколковском институте науки и технологий и Университете Ратгерса в США исследовали участки ДНК, которые встраивались в геном бактерии кишечной палочки при активации адаптивного иммунитета CRISPR-Cas. Результаты показали, что иммунологическая память систем CRISPR-Cas формируется из «преспейсеров» - коротких фрагментов чужеродной ДНК с характерной асимметричной структурой, которая, предположительно, является ключевым фактором для их правильного встраивания в CRISPR-кассету – участок ДНК бактерии, где «воспоминания» о прошлых заражениях вирусами хранятся, подобно записям в карточке вакцинации. Работа опубликована в журнале Nature Communications.

Бактерии способны противостоять многочисленным паразитам, в частности вирусам и другим мобильным генетическим элементам. Устойчивость обеспечивается различными защитными системами, одной из которых является система CRISPR-Cas, называемая также адаптивным иммунитетом бактерий. CRISPR-кассеты – это участки бактериальной ДНК, состоящие из коротких повторяющихся последовательностей, разделенных уникальными участками – спейсерами, которые заимствуются из чужеродных ДНК. РНК, которая образуется в ходе транскрипции CRISPR-кассеты, взаимодействует с белками Cas, и этот комплекс распознает чужеродную ДНК, комплементарную спейсеру, и уничтожает ее. Использование систем CRISPR-Cas в генной инженерии является перспективным инструментом для направленного редактирования генома. Однако молекулярный механизм адаптации (добавления новых спейсеров в CRISPR-кассеты) малоизучен. За добавление новых спейсеров отвечают белки Cas1 и Cas2, а участки чужеродной ДНК, разрушаемой в ходе имунного ответа, являются источниками новых спейсеров. Поэтому предполагалось, что в клетках существуют молекулы-предшественники спейсеров, «преспейсеры», т.е. фрагменты ДНК, которые были вырезаны из чужеродного генома, но ещё не встроены в CRISPR-кассету. Однако, ранее преспейсеры в клетках не обнаруживались и, соответсвенно, их структура оставалась неизвестной.

Ученые из Сколковского института науки и технологий и университета Ратгерса в США разработали новый метод выделения из клеток коротких фрагментов ДНК и их высокопроизводительного секвенирования (FragSeq). Ученые применили данный метод для анализа фрагментов ДНК, выделенных из клеток кишечной палочки (Escherichia coli), в которых происходила адаптация. Оказалось, что в таких клетках накапливались короткие (33-37 нуклеотидов) двуцепочечные молекулы ДНК с необычной структурой концов. Последовательности этих фрагментов совпали с последовательностями спейсеров, встраиваемых в CRISPR-кассету в ходе адаптации, т.е. они являются преспейсерами.

Предполагается, что характерная асимметричная структура преспейсеров является ключевым фактором для их успешного встраивания в CRISPR-кассету в ориентации, которая обеспечит узнавание чужеродных молекул ДНК и их разрушение.

«Наша работа открывает новые возможности для сравнительного изучения процесса адаптации в разных микроорганизмах, а также позволит создавать бактерий с требуемыми спейсерами в CRISPR-кассетах, – говорит Анна Ширяева, аспирантка Сколтеха и первый автор работы, – это позволит конструировать новые штаммы бактерий, устойчивые к вирусам или способные противостоять попаданию в них генов антибиотикоустойчивости».

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.