Учёные нашли возможного предка CRISPR с необычным механизмом наведения

Два новых исследования, опубликованных в журнале Science, описывают молекулярную систему, которая, по мнению авторов, является эволюционным предшественником CRISPR — мощного инструмента генетического редактирования. Система получила название VIPR (Viral interference programmable repeat) и возникла не в бактериях, а в вирусах-паразитах.

На протяжении миллиардов лет CRISPR служит бактериям естественной иммунной системой: он помогает им распознавать и уничтожать ДНК вторгающихся вирусов. Теперь оказывается, что сами вирусы разработали похожий механизм — и, возможно, именно он дал начало CRISPR.

Как учёные вышли на VIPR

Один из ключевых компонентов CRISPR — белки семейства RAMP. Команда исследователей решила проследить эволюционное происхождение RAMP-белков и найти системы с похожей структурой. Используя подход, основанный на сравнении трёхмерных структур белков (а не только их последовательностей), они идентифицировали РНК-связывающий белок в вирусах. Его назвали VIPR.

VIPR — это РНК-управляемая система, способная находить и атаковать ДНК-мишени. В этом она принципиально похожа на CRISPR. Однако на механистическом уровне между ними есть принципиальные различия.

Чем VIPR отличается от CRISPR

В CRISPR узнавание мишени происходит через образование так называемой R-петли: направляющая РНК спаривается с одной цепочкой ДНК, вытесняя другую. Это стандартная схема «РНК ищет ДНК».

VIPR работает иначе:

• использует так называемый «скип-один» код наведения — необычный режим считывания направляющей РНК, когда направляющая РНК считывает два нуклеотида ДНК, пропускает один, а затем считывает следующие два;
• образует трёхцепочечную структуру из нуклеиновых кислот (геометрический триплекс) вместо R-петли.

Это совершенно иная молекулярная «логика» узнавания ДНК — с одним и тем же функциональным результатом.

Примечательно и то, что VIPR — белок вирусного происхождения. Если CRISPR развивался в бактериях как защита от вирусов, то VIPR предположительно возник именно в вирусах — для борьбы с другими паразитическими элементами или для других клеточных функций. Это переворачивает привычную картину эволюции этих систем.

Работает ли VIPR в клетках

Команда проверила функциональность VIPR в E. coli. Результаты показали:

• запрограммированный VIPR успешно подавлял экспрессию целевых генов в бактериальных клетках;
• система также ингибировала заражение фагами (бактериальными вирусами), то есть выполняла именно ту защитную функцию, которая аналогична роли CRISPR в бактериях.

Таким образом, VIPR — не просто структурная находка. Это рабочая молекулярная машина, программируемая, как CRISPR, но действующая по иному механизму.

Зачем это нужно

Открытие важно по двум причинам.

Первая — эволюционная. Оно поддерживает гипотезу о том, как могли появиться CRISPR-подобные иммунные системы, хотя прямого доказательства такой эволюционной связи пока нет: по-видимому, вирусные системы типа VIPR предшествовали бактериальному CRISPR и, возможно, были в буквальном смысле «захвачены» бактериями в ходе эволюции.

Читайте также: Учёные выяснили, как регуляция ДНК помогает атаковать раковые клетки.

Вторая — практическая. VIPR потенциально расширяет генно-инженерный инструментарий: новая система с иным механизмом распознавания ДНК может оказаться полезной там, где стандартный CRISPR работает хуже — например, при специфических целевых последовательностях или в системах, где нежелательны стандартные молекулярные следы CRISPR-реакции. До практического применения ещё далеко, но принцип доказан.