Елизавета Минина 51,3

Системы CRISPR/Cas вот уже несколько лет триумфально шествуют по лабораториям мира, и неудивительно: эта простая, дешевая и быстрая технология редактирования генома нашла самое широкое применение в генетической инженерии. Однако биология систем CRISPR/Cas, а именно их функционирование в качестве противовирусных иммунных агентов бактерий и архей, не менее интересна и увлекательна: разнообразие молекулярных механизмов и в то же время их фундаментальное сходство и простота общей идеи поражают воображение. Наш обзор посвящен разнообразию естественных систем CRISPR/Cas.

Археи, несмотря на то, что не имеют оформленного ядра, по очень многим признакам гораздо больше похожи на эукариот, чем на бактерий. В частности, их геномная ДНК упакована и компактизирована с помощью гистонов, как у эукариот. Однако гистоны эти весьма своеобразны (как, наверное, и всё у архей): в отличие от гистонов эукариот, они не формируют стабильные октамерные нуклеосомы, хотя третичные структуры гистонов архей и эукариот очень похожи. Последние исследования свидетельствуют, что «нуклеосомы» архей не имеют фиксированного размера и состоят из различного числа димеров гистонов, причем плотность упаковки ДНК с помощью таких вариабельных нуклеосом напрямую связана с репрессией транскрипции связанного с ними участка ДНК. Что наиболее удивительно, длина нуклеосом архей, похоже, может быть практически неограниченной, за что исследователи назвали их гипернуклеосомами. Впрочем, с помощью биоинформатического анализа у некоторых архей удалось найти гистоны с сильно отличающейся от остальных аминокислотной последовательностью, которые, по-видимому, неспособны формировать гипернуклеосомы. Наконец, у некоторых архей есть гистоны с N- и C-концевыми хвостами, которые похожи на хвосты гистонов эукариот и тоже могут подвергаться посттрансляционным модификациям. Так каковы же они, гистоны архей, и как устроен хроматин архей? В статье мы постараемся ответить на эти вопросы.

Уже давно известно, что системы CRISPR/Cas, защищающие бактерий и архей от вирусов, иногда обнаруживают в составе бактериофагов и транспозонов. Как правило, такие системы CRISPR/Cas неполные и не кодируют нуклеаз. Каково же функциональное предназначение этих «демо-версий» CRISPR/Cas? Недавно на страницах Nature американские исследователи сообщили, что бактериальные Tn7-подобные транспозоны используют свои системы CRISPR/Cas для РНК-направленной интеграции в геном. Более того, ученые предполагают, что транспозоны, которые содержат систему CRISPR/Cas и интегрируются в то место ДНК, которое комплементарно направляющей РНК, могут стать новым инструментом для редактирования генома. Наша статья посвящена этому интереснейшему открытию.

Всем нам известно со школы, что трансляция начинается со старт-кодона — кодона AUG. Однако в 2011 году был описан особый вид AUG-независимой трансляции, обычно характерный для генов, содержащих повторы из нескольких нуклеотидов. Очень часто увеличение количества таких повторов приводит к развитию нейродегенеративных заболеваний, например, болезни Хантингтона. Самое удивительное, что кодон AUG для синтеза таких белков с повторяющимися аминокислотами не нужен вовсе: трансляция может начинаться с любой из трех возможных рамок считывания. Этот загадочный вид трансляции получил название «RAN-трансляция» (от англ. repeat associated non-AUG translation). Как же она работает?

Происхождение эукариот было и остается одной из интереснейших проблем эволюционной биологии. В 2015 году в Nature появилось сообщение, что с помощью метагеномики удалось получить последовательность генома археи ранее неизвестной группы, причем в этом геноме удалось найти гены, которые ранее считались уникальными для эукариот (в частности, ген, близкий к кодирующему актин). Более того, филогенетический анализ показал, что археи новооткрытой группы, получившей название Lokiarchaeota, и эукариоты образуют монофилетическую кладу (группу организмов с общим предком), и эукариоты, вероятно, произошли от локиархеот. Недавно японские ученые сообщили, что им удалось в лабораторных условиях вырастить культуру археи из типа Lokiarchaeota, которую они назвали Candidatus Prometheoarchaeum syntrophicum strain MK-D1. Какие загадки происхождения эукариот мы сможем разрешить, имея на руках чистую культуру их непосредственных предков, а не абстрактный геном? Попробуем разобраться.

Системы CRISPR/Cas бактерий и архей обеспечивают защиту их клеток от вирусов и другого инородного генетического материала. Активные системы CRISPR/Cas есть и у многих патогенных бактерий, в частности, Clostridium difficile, вызывающей диарею и колит. Как показало недавнее исследование ученых из Сколковского института науки и технологий и их французских коллег, собственную активную систему CRISPR/Cas клостридии можно «натравить» на геном самой же бактерии и с ее помощью произвести в нем изменения, что в перспективе может стать новым способом борьбы с этим патогеном, против которого зачастую бессильны антибиотики. Наша статья посвящена этому новому подходу для борьбы с патогенными бактериями.

Возможность предсказывать эволюционную динамику вируса гриппа A чрезвычайно важна для здравоохранения: разработанная в соответствии с предсказаниями вакцина, применяющаяся во время сезонных вспышек заболевания, должна обеспечивать эффективную защиту от этой тяжелой инфекции, чреватой серьезными осложнениями. Аминокислотные замены в двух ключевых белках вируса гриппа A, взаимодействующих с иммунной системой, — нейраминидазе и гемагглютинине — происходят довольно часто и помогают вирусу избегать противодействия иммунной системы хозяина. Ученые из Сколковского института науки и технологий и других российских научно-исследовательских институтов показали, что для частоты таких аминокислотных замен характерна любопытная особенность: чем больше времени прошло с момента возникновения очередного варианта участка белка с антигенными свойствами, тем больше вероятность, что он будет заменен другим вариантом. Результаты этого биоинформатического анализа недавно были опубликованы в журнале PNAS.

Сейчас сложно найти молекулярного биолога, который бы не знал про систему CRISPR/Cas, обеспечивающую адаптивный иммунитет бактерий и архей против вирусов и мобильных генетических элементов. Впрочем, накапливается масса свидетельств и о других функциях CRISPR/Cas. Так, недавно группа исследователей, в числе которых были и специалисты из Центра наук о жизни Сколковского института науки и технологий, показала, что системы CRISPR/Cas могут использовать вирусы гипертермофильных архей в конкурентной борьбе друг с другом. Такие вирусные системы не имеют генов cas, зато содержат локусы CRISPR с несколькими спейсерами, соответствующими фрагментам генома вируса-конкурента. Как же работают вирусные «мини-CRISPR»?