Міні-міні-міні-зброя від вірусів. Що вчені знайшли у клітинах бактерій

Журналістка Science Елізабет Пеннісі пише про революційну систему захисту від вірусів, що виявлена у бактеріях.

Сім років тому одне відкриття надихнуло вчених на створення революційної нової технології – вони перетворили систему, що використовувана бактеріями захисту від вірусів, на інструмент редагування генів, який відомий тепер як CRISPR. Вже кілька років вчені намагаються перетворити ретрони — загадкові молекули, що складаються з ДНК, РНК і білка, виявлені в деяких бактерій, — потенційно потужний спосіб зміни геномів одноклітинних організмів. І нарешті є успіх. Дві групи вчених повідомили про наявність доказів того, що, як і CRISPR, ретрони є частиною імунного арсеналу бактерій, захищаючи їх від вірусів, які називають фагами.

Одна з команд вчених у своїй статті, що опублікована у Cell минулого тижня, описала те, як конкретний ретрон захищає бактерії, змушуючи недавно інфіковані клітини самознищуватися, щоб вірус не міг реплікуватися та поширюватися в інших. Стаття в Cell — "перша стаття, в якій чітко описується дана функція ретронів", — каже Ганна Саймон, синтетичний біолог із Strand Therapeutics, що вивчала особливості бактерій. В іншій статті, яка є лише у вигляді препринта, повідомляється про аналогічне відкриття.

Нове розуміння функції ретронів може допомогти у роботі. Ретрони — "досить ефективні інструменти для точного та ефективного редагування геному", — пояснює Ротем Сорек, спеціаліст з геноміки мікробів з Наукового інституту Вейцмана та автор дослідження у Cell. Але вони поки що не можуть бути конкурентами CRISPR, частково тому, що для роботи в клітинах ссавців ще не створено відповідної технології.

У 1980-х роках вчені, що вивчають грунтові бактерії, були спантеличені, виявивши безліч копій коротких послідовностей одноланцюгової ДНК у клітинах. Ще незрозуміліше стало, коли з'ясувалося, що кожен біт ДНК був приєднаний до РНК з базовою послідовністю. Зрештою, вони зрозуміли, що фермент, названий зворотною транскриптазою, створив цю ДНК із приєднаної РНК, і що всі три молекули — РНК, ДНК та фермент – це один комплекс.

Подібні конструкції, що названі ретронами для зворотної транскриптази, знайшли у багатьох бактерій. "Це насправді чудові біологічні об'єкти, але ніхто не знав, навіщо вони потрібні", — каже Ілля Фінкельштейн, біофізик із Техаського університету в Остіні.

Сорек натрапив на перший натяк на їх функціонал, коли він та його колеги шукали у 38 тис. геномах бактерій гени, що використовуються для боротьби з фагами. Такі гени зазвичай схожі, і його команда розробила комп'ютерну програму, яка займалася пошуком нових систем захисту поряд з генами CRISPR та інших відомих противірусних конструкцій. Одна ділянка ДНК привернула увагу аспіранта з Вейцмана Аді Міллмана, тому що містила ген зворотної транскриптази, фланкований ділянками ДНК, які не були закодовані відомими бактеріальними білками. Вона випадково натрапила на статтю про ретрони і зрозуміла, що таємничі послідовності кодують один із компонентів їхньої РНК. "Це був нетривіальний прорив", — каже Сорек.

Потім вчені помітили, що ДНК, яка кодує компоненти ретрону, часто супроводжувала ген, що кодує білок, і білок варіювався від ретрона до ретрону. Дослідники вирішили перевірити свій здогад про те, що кластер послідовностей є новою системою захисту від фага. Далі вони встановили, що бактеріям необхідні всі три компоненти — зворотна транскриптаза, гібрид ДНК-РНК і другий білок — для захисту від багатьох вірусів.

У випадку з ретроном Ec48 Сорек та його колеги встановили, що пов'язаний з ним білок "завдає" вирішального удару, перебуваючи на зовнішній мембрані бактерії та змінюючи її проникність. Дослідники дійшли висновку, що ретрон якимось чином "охороняє" інший молекулярний комплекс, який є першою лінією противірусного захисту бактерії. Деякі фаги деактивують комплекс, який запускає ретрон, щоб вивільнити білок, що руйнує мембрану, і вбити інфіковану клітину, повідомили Міллман, Сорек та їхні колеги.

Друга група вчених дійшла аналогічних висновків. Під керівництвом Атанасіоса Тіпаса, мікробіолога з Європейської лабораторії молекулярної біології (EMBL) у Гейдельберзі, вони з'ясували, що поруч із генами, що кодують ретрон у бактерії сальмонели, знаходиться ген, який відповідає за білок, токсичний для сальмонели. Команда виявила, що ретрон зазвичай приховує токсин, але активує його у присутності фагових білків.

Обидві команди вчених зустрілися у Європейській лабораторії молекулярної біології влітку 2019 р. "Було приємно бачити, наскільки взаємодоповнювальною була наша робота", — говорить Тіпас. У червні вчені одночасно розмістили препринти про свою роботу на сайті bioRxiv.

Але до цих відкриттів інші вчені використовували загадкові властивості ретронів до створення нових редакторів генів. CRISPR легко визначає і прив'язується до потрібних ділянок геному або розсікає їх, проте поки що він настільки ефективний у плані введення нового коду в ДНК. Ретрони у поєднанні з елементами CRISPR, здається, можуть бути значно ефективнішими завдяки своїм зворотним транскриптазам: вони можуть виробляти безліч копій бажаної послідовності, які можуть бути ефективно вбудовані в геном господаря. "Оскільки системи на основі CRISPR і ретрони мають різні сильні сторони, їхнє об'єднання є дуже перспективною стратегією", — говорить Саймон.

У 2018 р. дослідники з лабораторії Стенфордського університету Хантера Фрейзера представили базовий редактор на основі ретронів, який отримав назву CRISPEY. Вони створили ретрони, РНК яких відповідала генам дріжджів, але з основою, що мутувала. Вони об'єднали їх з "напрямною РНК" CRISPR, яка базується на конкретній ДНК, та ферментом CAS9, який діє як молекулярні ножиці для CRISPR. Щойно CAS9 розрізав ДНК, механізми репарації ДНК клітини ввели дріжджовий ген ДНК, що генерується зворотною транскриптазою ретрона.

CRISPEY дозволив аспіранту Стенфорда Ші-Ан Андерсону Чену та його колегам успішно створити десятки тисяч дріжджових мутантів, кожен з яких відрізняється лише однією основою. Це дозволило їм визначити, наприклад, які основи необхідні дріжджам для вироблення глюкози. "CRISPEY — дуже крутий і надзвичайно потужний продукт", — говорить Харміт Малік, біолог-еволюціоніст з Онкологічного дослідницького центру Фреда Гатчінсона.

Цього року дві інші групи вчених — на чолі з генетиком Джорджем Черчем із Гарвардського університету та синтетичним біологом Массачусетського технологічного інституту Тімоті Лу — описали аналогічні випадки у препринтах bioRxiv.

Вчені в захваті від ретронів, але попереджають, що їм ще багато що доведеться з'ясувати про те, як перетворити ці бактеріальні мечі на орала. "Можливо, ретрони будуть такими ж революційними, як CRISPR, — каже Саймон. — Але поки ми не зрозуміємо більше про природну біологію та синтетичну поведінку ретронів, важко буде щось сказати".