Раскрытие новых сведений о CRISPR

Системы CRISPR состоят из двух основных компонентов - направляющей РНК, которая нацелена на определенную вирусную ДНК или последовательность РНК, и фермента Cas, который разрезает ДНК или РНК-мишень, предотвращая репликацию и распространение вируса. Команда из Центра РНК-биологии Университета Рочестера обнаружила, что специфический белок Cas (Cas13b) не только разрезает вирусную РНК, но и взаимодействует с другим белком (Csx28), усиливая его противовирусную защиту.

В партнерстве с учеными из Корнелла команда обнаружила, что белок Csx28 образует пороподобную структуру (то есть в нем есть большое отверстие). Когда они заразились E. coli используя фаг (вирус, который атакует бактерии) и внедрив систему CRISPR-Cas13 для нацеливания и остановки инфекции, они обнаружили, что Cas13 подает сигналы Csx28, влияя на проницаемость мембраны. Как только это происходит, Csx28 сеет хаос в инфицированной клетке, нарушая мембранный потенциал, подавляя метаболизм и препятствуя выработке энергии. Вирус не может размножаться в таких неблагоприятных условиях, что привело команду к выводу, что Csx28 усиливает фаговую защиту CRISPR-Cas13b.

"Это открытие опровергает идею о том, что системы CRISPR обеспечивают свою защиту только за счет деградации РНК и ДНК в клетках, и действительно расширяет наш взгляд на то, как могут работать системы CRISPR", - сказал автор-корреспондент Митчелл О'Коннелл, доктор философии, доцент кафедры биохимии и биофизики в Медицинском центре Университета Рочестера (URMC) и ведущий автор исследования. сотрудник Центра РНК-биологии Калифорнийского университета. "Когда мы думаем о CRISPR, мы видим белки Cas, такие как Cas9 или Cas13, как большой молот, наносящий весь ущерб, но это может быть и не так; мы обнаружили, что Cas13 и Csx28 работают вместе, чтобы эффективно уничтожить вирус".

"Когда вы читаете эту статью, вы думаете про себя: "Что?" Это такой странный механизм, и я бы не ожидал, что бактерии будут работать таким образом", - добавил Джон Люк, доктор философии, доцент кафедры фармакологии и физиологии в URMC. "Действительно впечатляет, что команда идентифицировала этот пороподобный белок, который не похож ни на что другое, что мы видели раньше, и теперь, когда мы знаем, что этот механизм существует, люди начнут искать его в других системах. Это захватывающе, потому что в науке, когда вы царапаете поверхность, вы часто обнаруживаете, что за ней скрывается совершенно новый мир".

Вопросов больше, чем ответов

Получив дополнительные знания о структуре Csx28 благодаря использованию крио-ЭМ с высоким разрешением, команда начинает исследовать функцию белка. Вопросов предостаточно. Если цель - защита, то почему в мембране огромная дыра? Команда обнаружила, что когда Cas13 отсутствует, Csx28 не активен. Что заставляет его становиться активным в обороне? Как долго он остается активным и что пропускает через мембрану? Понимание биохимии, лежащей в основе открытия и закрытия пор, прольет свет на то, как CRISPR-Cas13 использует его как часть своей защиты, и послужит отправной точкой для изучения мембранных белков в других системах CRISPR.

"Это открытие является неожиданным и поднимает множество новых вопросов о том, как бактерии защищают себя и что они делают, чтобы пережить инфекцию", - отметил Марк Дюмон, доктор философии, профессор биохимии и биофизики в URMC, который посвятил свою карьеру изучению мембранных белков. "Это также очень интересный интерфейс между биологией РНК, CRISPR, структурной биологией и мембранной биологией. Хотя это не имеет непосредственного медицинского значения или применения, идеи, которые возникают в результате этого, могут быть очень мощными ".

Люк добавляет: "Очень редко в одном исследовании содержится так много заставляющих задуматься фрагментов, что оно объединяет несколько разных областей. А поскольку концепции совершенно новые, будущая работа не будет отягощена догмами. Каждый раз, когда люди могут предложить свежие, ничем не ограниченные идеи, это действительно полезно для науки".

В дополнение к О'Коннеллу, ведущий автор исследования Арика Вандервал, доктор философии, бывшая аспирантка лаборатории О'Коннелла, которая в настоящее время является постдокторантом Калифорнийского университета в Сан-Диего, внесла свой вклад в исследование. Аспирантка Юлия К. Никосия и Адриан М. Молина Варгас из лаборатории О'Коннелла, Богдан Полевода, доктор философии, доцент-исследователь биохимии и биофизики в URMC, и Элизабет Келлогг, доктор философии, и Чон Ун Пак с кафедры молекулярной биологии и генетики Корнельского университета также поддержали исследование. Исследование финансировалось Национальными институтами здравоохранения.