Российские ученые из Сколковского института науки и технологий открыли новые особенности работы CRISPR-Cas-систем, которые отвечают за иммунитет у бактерий, а также используются для редактирования генома.

CRISPR-Cas — это система адаптивного иммунитета у бактерий, своеобразная база данных, в которой хранится информация о всех встреченных бактерией вирусах. Она позволяет бактериям вырабатывать устойчивость к вирусам и передавать ее своим потомкам. CRISPR (англ. Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats — кластеризованные регулярные промежуточные короткие палиндромные повторы) — это участки цепи ДНК бактерии, в которых одинаковые последовательности чередуются с уникальными. Cas — это ферменты, которые с помощью CRISPR распознают и разрушают чужеродные гены.

Участки вирусных генов, по которым иммунная система бактерии узнает вирусы, встраиваются в ДНК бактерии и в CRISPR во время процесса, который называется адаптацией. В ходе адаптации ферменты бактерии встраивают небольшую часть, образец вирусной ДНК, в CRISPR, чтобы потом ферменты Cas могли по этим участкам узнавать и разрушать гены вирусов. Если в бактерию попадает вирусная ДНК, часть которой уже хранится в CRISPR, белки Cas разрушают ее. Если же чужеродная ДНК неизвестна бактерии, происходит адаптация — ферменты пополняют CRISPR новым участком чужой, вирусной ДНК.

Раньше считалось, что если чужая ДНК полностью соответствует той, которая уже хранится в CRISPR, адаптация не происходит, потому что структурные особенности белков, которые встраивают участки ДНК в геном, не позволяют им встраивать фрагменты, которые полностью соответствуют тому, что уже есть в геноме бактерии.

В своем исследовании ученые Сколтеха показали, что это не так. Они изучили адаптацию у кишечной палочки E. coli и выяснили, что встраивание уже известных фрагментов чужой ДНК не происходит в CRISPR только потому, что при полном узнавании они уничтожаются белками Cas быстрее, чем встраиваются. Исследователи изменили скорость химической реакции при уничтожении чужой ДНК и обнаружили, что ее встраивание при полном соответствии происходит не просто точно так же, как если бы она была новой, не узнанной бактерией, а в 10 раз эффективнее.

Способность системы CRISPR-Cas разрезать ДНК и встраивать в нее строго определенные фрагменты сейчас используют для редактирования генома, в том числе и человеческого.