Системы CRISPR – это бактериальные иммунные системы, которые позволяют бактериям целенаправленно бороться с заражающими вирусами (фагами).
Благодаря своей программируемой природе системы CRISPR, и в частности Cas9, в настоящее время широко используются в медико-биологической отрасли с потенциалом предоставления передовых методов генной терапии, новых антибиотиков и лечения малярии.
Интересно, что фаги развили анти-CRISPR-белки, чтобы преодолеть бактериальные системы CRISPR в эволюционной гонке вооружений между вирусами и бактериями. Эти белки быстро подавляют защитную систему бактерии-хозяина, делая бактерию уязвимой для инфекции.
Несмотря на их значительную биологическую важность, только несколько белков против CRISPR были обнаружены до сих пор в очень специфической подгруппе бактерий. Современные белки анти-CRISPR в природе не многочисленны. и были идентифицированы путем изучения ДНК фагов, которые были способны инфицировать бактерии, несущие CRISPR-Cas9. Используя этот метод, каждый полагается на возможность культивировать бактерии и фаги, которые способны инфицировать, и избегать наблюдения за эндогенной CRISPR Cas9-системой.
«Мы использовали другой подход, ориентированный на функциональную активность анти-CRISPR, а не на сходство последовательностей ДНК. Этот подход позволил нам найти анти-CRISPR в бактериях, которые не обязательно культивировать или инфицировать фагами. И результаты действительно впечатляющие », – говорит Рубен Васкес Урибе, постдок в Центре биологической устойчивости Novo Nordisk Foundation (DTU).
Исследователи идентифицировали гены анти-CRISPR, используя общую ДНК из четырех образцов фекалий человека, двух образцов почвы, одного образца фекалий коровы и одного образца фекалий свиней.
ДНК была разрезана на более мелкие части и случайным образом экспрессирована на плазмиде внутри бактериальной клетки. Эта клетка содержала генетическую схему для выбора активности против CRISPR.
Короче говоря, это означало, что клетки, содержащие плазмиду с потенциальным геном анти-CRISPR, станут устойчивыми к определенному антибиотику. Напротив, клетки, в которых плазмида не обладает анти-CRISPR-активностью, погибнут.
С помощью этой системы исследователи могли легко обнаруживать и выбирать ДНК с активностью против CRISPR и отслеживать ее происхождение.
Используя этот метод метагеномной библиотеки, ученые смогли идентифицировать одиннадцать фрагментов ДНК, которые обходили активность Cas9.
Дальнейшая характеристика может 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 продуктах питания. Это показывает, что недавно открытые гены распространены во многих бактериальных ветвях древа жизни, и в некоторых случаях с доказательствами того, что некоторые из этих генов многократно переносились горизонтально в течение эволюции.
«Тот факт, что обнаруженных нами анти-CRISPR так много в природе, говорит о том, что они очень полезны и имеют большое значение с биологической точки зрения», – говорит Мортен Соммер, научный директор и профессор Центра биологической устойчивости Novo Nordisk Foundation (DTU). ).
Эти результаты предполагают, что анти-CRISPR, вероятно, могут играть гораздо большую роль во взаимодействии между фагом и хозяином, чем предполагалось ранее.
Более ранние исследования в этой области продемонстрировали, что белки анти-CRISPR могут использоваться для уменьшения ошибок, таких как разрезание ДНК на участках, не являющихся мишенями, при редактировании генома в лаборатории.
«Сегодня большинство исследователей, использующих CRISPR-Cas9, испытывают трудности с контролем системы и нецелевой активностью. Следовательно, системы анти-CRISPR очень важны, потому что вы хотите иметь возможность включать и выключать свою систему для проверки активности.
Следовательно, эти новые белки могут стать очень полезными », – говорит Мортен Соммер.
Исследователи фактически обнаружили, что четыре новых белка анти-CRISPR, похоже, имеют разные характеристики и свойства.
В будущем это будет очень интересно исследовать дальше.