Как бактерии отличают свою ДНК от вирусной
Молекулярный мусор помогает бактериальной клетке запоминать последовательности из вирусных генов, чтобы впоследствии использовать их для отражения вирусной атаки.
Мы с детства помним картинку из школьного учебника: вирус-бактериофаг с «головой»-многогранником, стебельчатым «туловищем» и несколькими «ножками», похожий на какой-то загадочный аппарат, садится на бактериальную клетку и впрыскивает в неё свой геном. Последствия операции – в клетке появляются новые вирусные частицы (всё те же «головы», «туловища» и «ножки»), которые в конце концов разрушают бактерию. Она кажется нам совершенно беззащитной перед вирусной атакой но было бы действительно странно, если бы бактериальные клетки не обзавелись противовирусной «системой сдерживания».
Такие системы действительно есть, и одну из них, под названием CRISPR/Cas, часто называют бактериальным иммунитетом – потому что с её помощью бактерия может запоминать информацию о вирусах и использовать её для защиты от будущих инфекций. То есть здесь у нас есть аналог иммунной памяти многоклеточных животных. Работает она так: в бактериальной хромосоме есть участок CRISPR, сокращённо от Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats – короткие палиндромные повторы в ДНК, регулярно расположенные группами. Повторы перемежаются другими последовательностями, которые происходят из генома бактериофагов. Это и есть «иммунная память». Когда в клетке появляется чужеродная ДНК, бактерия снимает РНК-копию с «запомненной» последовательности и сравнивает её с пришельцем. Если совпадение есть, значит, чужую ДНК нужно разрушить. Разумеется, вся процедура осуществляется с помощью специальных белковых комплексов.
Любая защитная система должна отличать своих от чужих. Наш иммунитет не должен атаковать здоровые клетки тела, соответственно, бактериальная система CRISPR/Cas должна как-то чувствовать разницу между ДНК вируса и ДНК самой бактерии ещё на стадии «запоминания». На самом деле, у бактерий есть и «аутоиммунные заболевания», когда система противовирусной защиты начинает повреждать их собственную ДНК, однако такие случаи весьма редки. То есть механизм различения «свой-чужой» всё же работает.
Как именно он работает, выясняли исследователи из Института Вейцмана и Тель-Авивского университета. Они ввели в бактериальную клетку плазмиду, которая имитировала вирус. (Плазмидами называют небольшие кольцевые молекулы ДНК, существующие у бактерий наравне с главной большой хромосомой; они обладают значительной самостоятельностью и могут удваиваться вне зависимости от репликации хромосомы, которая привязана к клеточному делению.) С помощью белков Cas1 и Cas2 (которые входят в систему CRISPR/Cas) бактерия встраивала ДНК плазмиды в хромосому, причём именно туда, где должна храниться информация о вирусной инфекции.
Оказалось, как пишут Ротем Сорек (Rotem Sorek) и его коллеги в Nature, система CRISPR и её белки Cas1 и Cas2 распознавали именно ту ДНК, которая слишком активно удваивалась. А ведь это вирусная стратегия: любой ценой создать как можно больше копий своего генома. Иными словами, если молекулярные компоненты CRISPR/Cas чувствовали ДНК, которая быстро размножается, то система делала вывод, что в клетку проник вирус и его нужно запомнить. Но как именно происходило узнавание?
При репликации ДНК в ней неизбежно случаются повреждения, разрывы, которые тут же ремонтируются репарационными машинами. Репарирующие ферменты сначала обрабатывают место повреждения так, чтобы его удобно было ремонтировать, а потом уже собственно ликвидируют разрыв. Вот в процессе подготовки к ремонту от ДНК и остаются фрагменты, которые «иммунная система» бактерий может подхватить и вставить в свою «библиотеку вирусов». С другой стороны, в бактериальной ДНК есть определённые сигнальные последовательности, которые говорят репарирующей машине, когда нужно прекратить улучшать место повреждения. Такие стоп-сигналы уменьшают количество ДНК-обрезков, которые может использовать система CRISPR/Cas. И – самое главное – таких стоп-сигналов много в ДНК бактерий, но почти нет в ДНК вирусов. То есть при ремонте вирусной ДНК молекулярного мусора образуется много, а при ремонте бактериальной ДНК – намного меньше.
Получается, что бактериальные клетки используют два самых обычных процесса, репликацию и репарацию, чтобы отличить свою ДНК от чужой; но, кроме того, у них есть ещё и маркеры – специальные нуклеотидные последовательности, которые помогают оптимизировать процедуру и сделать её более эффективной.
Защитную систему CRISPR/Cas обнаружили всего несколько лет назад, и она мгновенно стала исследовательским «хитом». Дело не только в том, что, воздействуя на иммунитет вредных бактерий, мы можем подавить их рост с помощью бактериофагов, и тем самым уменьшить вероятность заболеваний. С помощью CRISPR/Cas, как оказалось, можно редактировать геномы животных – разумеется, для этого молекулярные составляющие системы программируются на распознавание участков в ДНК крысы или обезьяны. Год назад китайские специалисты из Нанкинского медицинского университета получили таким образом геномодифицированых макак-крабоедов, правда, модификацию осуществляли ещё на стадии эмбриона. Молекулярные инструменты «бактериального иммунитета» позволяют избавиться от вредных мутаций, заменять больной ген здоровым и т. д. Учитывая количество работ, посвящённых CRISPR/Cas, можно надеяться, что в скором времени редактирование генома человека, даже вполне взрослого, станет рутинной процедурой.
