Новый инструмент для генной инженерии

Вирусы могут не только вызывать заболевания у человека, но также способны инфицировать бактерий. Последние защищают себя с помощью особой системы, которую можно условно назвать «иммунной системой» бактерий – это специфическая последовательность генома бактерии, кодирующая соответствующий фермент. Такая система помогает бактерии выявлять ДНК вирусного происхождения, фрагментировать ее, тем самым обезвреживая вирус.

Ученые из Центра Инфекционных Исследований Гельмгольца (Helmholtz Centre for Infection Research, HZI, Брауншвейг, Германия) продемонстрировали, что фермент бактериальной «иммунной системы» Cas9 и управляемый им особый комплекс молекул РНК возник независимо в разных штаммах бактерий. Это увеличивает потенциал использования бактериальной «иммунной системы» в целях генной инженерии. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nucleic Acids Research.

Несмотря на то, что «иммунная система» бактерий была открыта лишь несколько лет назад, она уже привлекла внимание генетиков и биотехнологов с точки зрения перспектив своего применения в качестве инструмента генной инженерии. Эта система получила загадочное название «CRISPR-Cas»: CRISPR – это короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами (Clustered Regularly Interspaced Palindromic Repeats), обнаруженные в ДНК многих бактерий и архей; Cas расшифровывается как белок, ассоциированный с CRISPR (CRISPR-associated protein). Результаты нового исследования профессора Эммануэль Карпентер (Emmanuelle Charpentier) и ее коллег из HZI свидетельствуют о том, что белок Cas возник независимо в множестве разных бактериальных штаммов.

Система CRISPR-Cas играет важную роль не только в жизнедеятельности бактерий, но и в качестве значимого метода молекулярной биологии. Она выявляет специфические последовательности нуклеотидов в геноме и вырезает ДНК в этой области. С ее помощью ученые могут удалить или внедрить гены в месте «разреза». В частности, используя этот метод, можно культивировать растения, резистентные к действию паразитов и грибов. Другие технологии, выполняющие аналогичную функцию, обычно менее точны, стоят дороже и требуют больше времени. CRISPR-Cas быстрее, точнее и дешевле, для его осуществления требуется меньше компонентов.

Кроме того, благодаря высокой приспособляемости, небольшие изменения в системе CRISPR-Cas позволяют быстро адаптировать технологию для выполнения различных задач. «Система CRISPR-Cas является мощным инструментом генной инженерии. Мы проанализировали и сравнили в различных штаммах бактерий фермент Cas9 и особый комплекс коротких молекул РНК (dual-tracrRNAs-crRNAs), управляющий этим ферментом», – говорит Эммануэль Карпентер. На основании полученных результатов белки Cas9, полученные у различных бактерий, были разделены на несколько групп.

Метод CRISPR-Cas можно использовать для множества биотехнологических задач. Например, ферменты Cas разных бактерий можно комбинировать и, таким образом, получить, несколько сайтов для модификации и внедрения генов в таргетную ДНК. Это может быть полезно в разработке методов терапии генетических заболеваний, вызванных несколькими разными мутациями. Более того, технологию можно использовать при лечении от ВИЧ-инфекции, поскольку при инфицировании иммунных клеток человека ВИЧ использует их рецепторы. С помощью системы CRISPR-Cas можно удалить ген рецептора, в результате чего пациенты будут защищены от действия вируса. Однако для достижения этой цели потребуется много времени.

Приведенные примеры демонстрируют потенциал применения технологии CRISPR-Cas. «Некоторые из моих коллег уже сравнивают по значимости эту систему с ПЦР», – говорит Карпентер. Метод ПЦР, разработанный в 1980-х гг., позволяет ученым копировать фрагменты молекулы ДНК и таким образом увеличивать ее количество с целью дальнейшего исследования. Без этой революционной технологии многие эксперименты, которые мы сейчас считаем рутинными, было бы невозможно провести.

Поиск новых молекулярных методов не был главной задачей исследования Карпентер и ее научной группы. По словам ученого, изначально они пытались найти новые мишени для антибиотиков. При проведении исследований часто случается, что первоначальные планы ученых отличаются от конечного результата.

Streptococcus pyogenes – одна из бактерий, у которых ученые из HZI исследовали систему CRISPR-Cas system. (фото: © HZI / M. Rohde)

По материалам Helmholtz Centre for Infection Research

Оригинальная статья:
Ines Fonfara, Anaïs Le Rhun, Krzysztof Chylinski, Kira Makarova, Anne-Laure Lécrivain, Janek Bzdrenga, Eugene V. Koonin, Emmanuelle Charpentier. Phylogeny of Cas9 determines functional exchangeability of dual-RNA and Cas9 among orthologous type II CRISPR-Cas systems. Nucleic Acids Research, November 2013