Как бактерии защищаются от вирусов: показано в деталях
Ученые из Корнеллского университета и Гарвардской медицинской школы, сделав серию снимков почти с атомарным разрешением, пошагово наблюдали, как бактерии защищаются от чужеродных захватчиков, таких как бактериофаги.
Процесс использует CRISPR (короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами) — участки в ДНК клетки, куда можно вставить дополнительную ДНК.
- Биологи используют CRISPR для генной инженерии, но клетки, вероятно, развили этот механизм как часть защитной системы.
- Клетка использует эти участки для хранения «молекулярных воспоминаний» о захватчиках, чтобы избирательно уничтожать их при следующей встрече.
«Иммунная система бактерий работает так же эффективно, как наша, с той разницей, что наша система функционирует на уровне распознавания белков, а CRISPR — на уровне распознавания нуклеиновых кислот», — пояснил Айлонг Ке, профессор молекулярной биологии и генетики.
Как работает защита:
- При первой встрече бактерия встраивает фрагмент ДНК захватчика в свой собственный геном в CRISPR-локус.
- При необходимости с этого сохраненного участка создается РНК-транскрипт, называемый гид-РНК.
- Гид-РНК собирается с другими белками в комплекс под названием Cascade (CRISPR-ассоциированный комплекс для противовирусной защиты).
Система настолько эффективна и точна, что исследователи задумались о ее перепрофилировании для редактирования генома. «CRISPR-революция в биологии происходит на наших глазах», — сказал Ке.
Исследование и метод
Исследование сосредоточено на конкретной версии CRISPR-защиты, известной как Type I-E. Ученые использовали бактерию Thermobifida fusca.
- Лаборатория Ке подготовила образцы, представляющие различные стадии иммунного ответа.
- Маофу Ляо и его постдок Мин Ло заморозили эти образцы и сделали высокоразрешающие снимки каждого шага с помощью крио-электронного микроскопа.
«Мы примерно знали, как это работает, но без структур у нас не было деталей. Картинка стоит тысячи слов», — отметил Ке.
Значение и перспективы
Результаты, опубликованные 29 июня в журнале Cell, предоставляют структурные данные, которые могут повысить эффективность и точность биомедицинских операций с CRISPR.
- Некоторые аспекты механизма защиты, особенно то, как он ищет свои цели в ДНК, оставались неясными и вызывали опасения по поводу непреднамеренных побочных эффектов и безопасности использования CRISPR-Cas для лечения болезней человека.
«Чтобы решить проблемы специфичности, нам нужно понять каждый этап формирования CRISPR-комплекса», — сказал Ляо.
«Чтобы применять CRISPR в медицине, мы должны быть уверены, что система не нацелится по ошибке на неправильные гены», — добавил Ке. «Мы полагаем, что система Type I потенциально точнее, чем CRISPR-Cas9, потому что она проверяет более длинную последовательность перед действием, и система разделяет поиск цели и ее деградацию на два этапа, со встроенными механизмами безопасности между ними».
Пока Type I CRISPR имеет ограниченное применение для точного редактирования генов, но может стать инструментом для борьбы с устойчивыми к антибиотикам штаммами бактерий.