Ученые из России и США под руководством директора Центра системной биомедицины и биотехнологий Сколтеха, профессора Константина Севериноваопубликовали две новые работы о механизме действия CRISPR-Cas — иммунной системы бактерий, которая произвела революцию в области геномного редактирования. Они выявили неожиданные последствия влияния CRISPR-Cas систем на процесс инфекции бактерий вирусами-бактериофагами, а также изучили детали того, как бактерии приобретают иммунологическую «память» о перенесенных ранее вирусных инфекциях.

CRISPR-Cas системы защищают бактерий от вирусов. CRISPR-Cas система состоит из сегмента ДНК бактериальной хромосомы, который называется «CRISPR-кассета», и cas генов, кодирующих Cas белки. CRISPR-кассета состоит из коротких повторяющихся последовательностей ДНК, разделенных уникальными участками — спейсерами, происходящими из чужеродной вирусной ДНК. В том случае, если последовательность спейсера совпадает с последовательностью чужеродной ДНК, появившейся в клетке, Cas белки могут распознать ее и уничтожить.

Статья аспирантки Сколтеха Александры Строцкой и ее коллег посвящена изучению процесса заражения бактериофагами (вирусами бактерий) бактерий, имеющих соответствующие этим вирусам спейсеры. «Самым важным и неожиданным нашим заключением стало то, что в отличие от «нормальных» иммунных систем, например человеческой, CRISPR-Cas система не спасает индивидуальные клетки: все инфицированные клетки умирают. Однако в отличие от обычной инфекции незащищенных клеток, в клетках с CRISPR-Cas не образуется вирусное потомство. То есть инфицированная клетка, способная распознать вирусную ДНК с помощью CRISPR-Cas, погибает альтруистичной смертью, спасая другие клетки и снижая вероятность распространения инфекции по популяции,» — рассказывает Александра.

Статья аспирантки Сколтеха Ольги Мушаровой посвящена тому, как спейсеры, соответствующие чужеродной ДНК, попадают в CRISPR-кассету. Для того, чтобы распознавать последовательности ДНК вируса, в CRISPR-кассете бактерии должны присутствовать соответствующие спейсеры. Но как и откуда они берутся? Ольга и ее коллеги обнаружили, что встраивание спейсеров происходит в то время, когда инфицированная клетка пытается бороться с вирусом, разрушая его ДНК. Некоторые из этих попыток случайно приводят к образованию кусочков ДНК, длина которых совпадает с длиной спейсеров, Такие кусочки встраиваются в CRISPR-кассету, что дает клетке и ее потомкам возможность эффективно бороться с вирусом. «Наши результаты дали возможность построить полную модель CRISPR-иммунитета — от исходной «вакцинации», т.е., приобретения нового спейсера до разрушения ДНК вируса во время последующих инфекций. Некоторые моменты нашей модели не совпадают с данными, представленными нашими коллегами из США и Нидерландов. Мы попытаемся найти причины этих расхождений при личных встречах на международной конференции, посвященной CRISPR системам, которая пройдет в Монтане. Знание того, как формируется ДНК «память» в CRISPR-кассетах, может оказаться полезным при создании новых бактериальных штаммов и для эпидемиологических исследований» — говорит Ольга.

Результаты работ опубликованы в журнале Nucleic Acids Research.