Мини-мини-мини оружие от вирусов. Что ученые нашли в клетках бактерий

Журналистка Science Элизабет Пенниси пишет о революционной системе защиты от вирусов, обнаруженной в бактериях. 

Семь лет тому назад одно открытие вдохновило ученых на создание революционной новой технологии – они превратили систему, используемую бактериями для защиты от вирусов, в инструмент редактирования генов, известный теперь как CRISPR. Уже несколько лет ученые пытаются превратить ретроны — загадочные молекулы, состоящие из ДНК, РНК и белка, обнаруженные у некоторых бактерий, — в потенциально мощный способ изменения геномов одноклеточных организмов. И наконец-то есть успех. Две группы ученых сообщили о наличии доказательств того, что как и CRISPR, ретроны являются частью иммунного арсенала бактерий, защищая их от вирусов, называемых фагами.

Одна из команд ученых в своей статье, опубликованной в Cell на прошлой неделе, описала то, как конкретный ретрон защищает бактерии, заставляя недавно инфицированные клетки самоуничтожаться, чтобы вирус не мог реплицироваться и распространяться в других. Статья в Cell — "первая статья, в которой четко описывается данная функция ретронов", — говорит Анна Саймон, синтетический биолог из Strand Therapeutics, изучавшая особенности бактерий. В другой статье, которая имеется пока только в виде препринта, сообщается об аналогичном открытии.

Новое понимание функции ретронов может помочь в их работе. Ретроны – "довольно эффективные инструменты для точного и эффективного редактирования генома", — объясняет Ротем Сорек, специалист по геномике микробов из Научного института Вейцмана и автор исследования в Cell. Но они пока не могут быть конкурентами CRISPR, отчасти потому, что для работы в клетках млекопитающих еще не создана соответствующая технология.

В 1980-х годах ученые, изучающие почвенные бактерии, были озадачены, обнаружив множество копий коротких последовательностей одноцепочечной ДНК в клетках. Еще непонятнее стало, когда выяснилось, что каждый бит ДНК был присоединен к РНК с базовой последовательностью. В конце концов они поняли, что фермент, называемый обратной транскриптазой, создал эту ДНК из присоединенной РНК, и что все три молекулы — РНК, ДНК и фермент – это один комплекс.

Подобные конструкции, названные ретронами для обратной транскриптазы, были обнаружены у многих бактерий. "Это на самом деле прекрасные биологические объекты, но никто не знал, для чего они нужны", — говорит Илья Финкельштейн, биофизик из Техасского университета в Остине.

Сорек натолкнулся на первый намек на их функционал, когда он и его коллеги искали в 38 тыс. геномах бактерий гены, используемые для борьбы с фагами. Такие гены, как правило, похожи, и его команда разработала компьютерную программу, которая занималась поиском новых систем защиты рядом с генами CRISPR и других известных противовирусных конструкций. Один участок ДНК привлек внимание аспиранта из Вейцмана Ади Миллмана, потому что содержал ген обратной транскриптазы, фланкированный участками ДНК, которые не были закодированы какими-либо известными бактериальными белками. Она случайно наткнулась на статью о ретронах и поняла, что таинственные последовательности кодируют один из компонентов их РНК. "Это был нетривиальный прорыв", — говорит Сорек.

Затем ученые заметили, что ДНК, кодирующая компоненты ретрона, часто сопровождала кодирующий белок ген, и белок варьировался от ретрона к ретрону. Исследователи решили проверить свою догадку о том, что кластер последовательностей представляет собой новую систему защиты от фага. Далее они установили, что бактериям необходимы все три компонента — обратная транскриптаза, гибрид ДНК-РНК и второй белок — для защиты от множества вирусов.

В случае с ретроном Ec48 Сорек и его коллеги установили, что связанный с ним белок "наносит" решающий удар, пребывая на внешней мембране бактерии и изменяя ее проницаемость. Исследователи пришли к выводу, что ретрон каким-то образом "охраняет" другой молекулярный комплекс, который является первой линией противовирусной защиты бактерии. Некоторые фаги деактивируют комплекс, который запускает ретрон, чтобы высвободить разрушающий мембрану белок и убить инфицированную клетку, сообщили Миллман, Сорек и их коллеги.

Вторая группа ученых пришла к аналогичным выводам. Под руководством Атанасиоса Типаса, микробиолога из Европейской лаборатории молекулярной биологии (EMBL) в Гейдельберге, они выяснили, что рядом с генами, кодирующими ретрон в бактерии сальмонеллы, находится ген, отвечающий за белок, токсичный для сальмонеллы. Команда обнаружила, что ретрон обычно скрывает токсин, но активирует его в присутствии фаговых белков.

Обе команды ученых встретились в Европейской лаборатории молекулярной биологии летом 2019 г. "Было приятно видеть, насколько взаимодополняющей была наша работа", — говорит Типас. В июне ученые одновременно разместили препринты о своей работе на сайте bioRxiv.

Но еще до этих открытий другие ученые использовали загадочные свойства ретронов для создания новых редакторов генов. CRISPR легко определяет и привязывается к нужным участкам генома или рассекает их, однако пока он не столь эффективен в плане введения нового кода в ДНК. Ретроны в сочетании с элементами CRISPR, кажется, могут быть куда эффективнее благодаря своим обратным транскриптазам: они могут производить множество копий желаемой последовательности, которые могут быть эффективно встроены в геном хозяина. "Поскольку системы на основе CRISPR и ретроны имеют разные сильные стороны, их объединение является очень многообещающей стратегией", — говорит Саймон.

В 2018 г. исследователи из лаборатории Стэнфордского университета Хантера Фрейзера представили базовый редактор на основе ретронов, получивший название CRISPEY. Они создали ретроны, РНК которых соответствовала генам дрожжей, но с мутировавшей основой. Они объединили их с "направляющей РНК" CRISPR, которая базируется на конкретной ДНК, и ферментом CAS9, который действует как молекулярные ножницы для CRISPR. Как только CAS9 разрезал ДНК, механизмы репарации ДНК клетки ввели дрожжевой ген ДНК, генерируемой обратной транскриптазой ретрона.

CRISPEY позволил аспиранту Стэнфорда Ши-Ан Андерсону Чену и его коллегам успешно создать десятки тысяч дрожжевых мутантов, каждый из которых отличается только одной основой. Это позволило им определить, например, какие основы необходимы дрожжам для выработки глюкозы. "CRISPEY — очень крутой и чрезвычайно мощный продукт", — говорит Хармит Малик, биолог-эволюционист из Онкологического исследовательского центра Фреда Хатчинсона.

В этом году две другие группы ученых — во главе с генетиком Джорджем Черчем из Гарвардского университета и синтетическим биологом Массачусетского технологического института Тимоти Лу — описали аналогичные случаи в препринтах bioRxiv.

Ученые в восторге от ретронов, но предупреждают, что им еще многое предстоит выяснить о том, как превратить эти бактериальные мечи в орала. "Возможно, ретроны будут такими же революционными, как CRISPR, — говорит Саймон. — Но пока мы не поймем больше о естественной биологии и синтетическом поведении ретронов, трудно будет что-то сказать".