Ученые из Центра биологической устойчивости Novo Nordisk Foundation (DTU) обнаружили четыре новых белка анти-CRISPR, которые распределены по различным средам. Новое исследование, опубликованное в Cell Host & Microbe, предполагает, что некоторые анти-CRISPR белки более распространены в природе, чем предполагалось ранее. Эти анти-CRISPR потенциально могут быть использованы для лучшего регулирования деятельности систем CRISPR-Cas9 в будущем.

На фото; CRISPR-ассоциированный белок Cas9 (белый) из Staphylococcus aureus на основе идентификатора протеиновой базы данных 5AXW. Фото: Томас Сплеттштессер (Википедия, CC BY-SA 4.0)

Системы CRISPR — это бактериальные иммунные системы, которые позволяют бактериям целенаправленно бороться с заражением вирусами (фагами).

Из-за их программируемой природы системы CRISPR, и в частности Cas9, в настоящее время широко используются в индустрии наук о жизни с потенциалом для обеспечения революционной генной терапии, новых антибиотиков и терапии малярии.

Интересно, что фаги выработали анти-CRISPR белки для преодоления бактериальных систем CRISPR в эволюционной гонке вооружений между вирусами и бактериями. Эти белки быстро подавляют защитную систему бактерии-хозяина, оставляя бактерию уязвимой для инфекции.

Несмотря на их значительную биологическую важность, только несколько анти-CRISPR белков были обнаружены в очень специфической группе бактерий. Существующие анти-CRISPR белки не являются обильными по природе и были идентифицированы путем изучения ДНК фагов, которые были способны инфицировать бактерии, несущие CRISPR-Cas9. Используя этот метод, можно полагаться на способность культивировать бактерии и фаги, которые способны инфицировать и избежать наблюдения за эндогенной системой CRISPR Cas9.

«Мы использовали другой подход, который фокусировался на функциональной активности анти-CRISPR, а не на сходстве последовательностей ДНК. Этот подход позволил нам найти анти-CRISPR в бактериях, которые не могут быть культивированы или инфицированы фагами. И результаты действительно впечатляют », — говорит Рубен Васкес Урибе, Postdoc, в Центре биологической устойчивости Novo Nordisk Foundation (DTU).

Образцы фекалий содержали анти-CRISPR

Исследователи определили гены анти-CRISPR, используя общую ДНК из четырех образцов фекалий человека, двух образцов почвы, одного образца фекалий коровы и одного образца фекалий свиней. ДНК нарезали на более мелкие кусочки и случайным образом экспрессировали на плазмиде внутри бактериальной клетки. Эта клетка содержала генетическую цепь для отбора анти-CRISPR-активности. Короче говоря, это означало, что клетки, содержащие плазмиду с потенциальным анти-CRISPR геном, стали бы устойчивыми к определенному антибиотику. Напротив, клетки, в которых плазмида не придает анти-CRISPR-активность, погибнут.

С помощью этой системы исследователи могли легко обнаружить и отобрать ДНК с анти-CRISPR-активностью и проследить ее до ее происхождения. Используя этот метагеномный библиотечный подход, ученые смогли идентифицировать одиннадцать фрагментов ДНК, которые обходили активность Cas9.

Дальнейшая характеристика может затем подтвердить активность четырех новых анти-CRISPR. Филогенетический анализ показал, что гены, идентифицированные в образцах фекалий, присутствуют в бактериях, обнаруженных в различных средах, например, в бактериях, живущих в кишечнике насекомых, морской воде и пище.

Это показывает, что недавно обнаруженные гены распространены во многих бактериальных ветвях на древе жизни, а в некоторых случаях — свидетельства того, что некоторые из этих генов были горизонтально перенесены много раз в ходе эволюции.

«Тот факт, что анти-CRISPR, которые мы обнаружили, настолько обильны по своей природе, говорит о том, что они очень полезны и имеют большое значение с биологической точки зрения», — говорит Мортен Зоммер, научный директор и профессор Центра биологической устойчивости Novo Nordisk Foundation (DTU).

Эти результаты предполагают, что анти-CRISPRs, вероятно, могут играть гораздо большую роль во взаимодействии между фагом и хозяином, чем предполагалось ранее.

Полезный переключатель для редактирования генома

Более ранние исследования в этой области показали, что анти-CRISPR белки могут быть использованы для уменьшения ошибок, таких как разрезание ДНК в нецелевых сайтах, при редактировании генома в лаборатории.

«Сегодня большинство исследователей, использующих CRISPR-Cas9, испытывают трудности с управлением системой и нецелевой активностью. Поэтому анти-CRISPR системы очень важны, потому что вы хотите иметь возможность включать и выключать вашу систему для проверки активности. Поэтому эти новые белки могут стать очень полезными», — говорит Мортен Соммер.

Исследователи действительно обнаружили, что четыре новых белка против CRISPR, похоже, имеют разные черты и свойства. В дальнейшем это будет очень интересно исследовать дальше.

По материалам phys.org