Характер CRISPR-адаптации объясняет предпочтительную восприимчивость к чужим ДНК
CRISPR adaptation biases explain preference for acquisition of foreign DNA. Asaf Levy, Moran G. Goren, Ido Yosef, Oren Auster, Miriam Manor, Gil Amitai, Rotem Edgar, Udi Qimron, Rotem Sorek. Nature. 2015. Vol. 520. No 7548. P. 505–510.
При заражении бактерий фагами (вирусами) ДНК последних попадает внутрь бактерии и там интенсивно копируется – с него считывается РНК и бактериальные рибосомы начинают синтезировать вирусные белки. В конечном счете, происходит сборка новых вирусов, которые покидают бактерию и заражение распространяется. Бактерия при этом часто погибает. В ходе эволюции у бактерий развился своеобразный механизм выработки иммунитета к фагам – система CRISPR. Он был открыт во время исследования бактериальных геномов. В геномах бактерий нашлись кластеры, состоящие из фрагментов ДНК, совпадающих с фрагментами ДНК разных фагов. Оказалось, что бактерии умеют синтезировать РНК, частично комплементарную к ДНК фага и содержащую последовательность, использующую нуклеазу – белок, разрезающий нуклеиновые кислоты. Такая РНК по принципу комплементарности взаимодействует с ДНК вируса, к ним присоединяется одна из нуклеаз семейства Cas (Cas9), и режет вирусный геном. Вирус становится безопасным для бактерии, а информация о нем в виде фрагмента его ДНК сохраняется в бактериальном геноме. Как и в случае с приобретенным иммунитетом у человека, это позволяет быстрее давать отпор патогену при повторном заражении. Это значит, что есть какой-то механизм, позволяющий системе CRISPR отличать собственную ДНК от ДНК патогена. За сохранение фрагментов вирусной ДНК в собственном геноме у бактерий E. coli отвечают нуклеазы Cas1 и Cas2. Добившись избытка этих ферментов в бактериях, авторы статьи смогли за короткий срок получить широкий спектр обработанных и встроенных фрагментов ДНК. Проанализировав их, исследователи сделали несколько выводов. Во-первых, чем интенсивнее реплицируется ДНК, тем больше у нее шансов попасть в «черный список» – кластер CRISPR. Бактериальная хромосома удваивается один раз за одно деление бактерии, а вирусная ДНК копируется гораздо чаще – попав в бактерию, вирус создает сразу много копий. Уже на этой стадии в CRISPR кластер попадает гораздо больше инородной ДНК, чем своей. При анализе встроенных фрагментов оказалось, что значительная часть собственной ДНК, попавшей в память иммунитета, находится в одной и той же области – области конца транскрипции. Геном бактерий представлен одной кольцевой хромосомой, образованной двухцепочечной молекулой ДНК. Когда бактерия делится, геном реплицируется. Репликация бактериального генома начинается всегда в одной и той же точке, причем идет сразу в двух направлениях. У этого процесса довольно сложная геометрия, и в конце образуются две идентичных кольцевых молекулы, которые не связаны ковалентно, но сцеплены как звенья цепи. Чтобы они могли разойтись по дочерним бактериальным клеткам, их надо разделить. Для этого специальные ферменты - топоизомеразы – разрезают, разделяют и вновь сшивают цепи ДНК. Если обычные ферменты репликации не справляются с репарацией, включается еще один фермент, вернее, группа ферментов ответственная за устранение разрывов – RecBCD. Инактивация этих ферментов приводит к тому, что бактерия перестает отличать свою ДНК от чужой, и в CRISPR кластер начинает попадать больше бактериальных последовательностей.
В.В. Стрекопытов