Молекулярный мусор помогает бактериальной клетке запоминать последовательности из вирусных генов, чтобы впоследствии использовать их для отражения вирусной атаки.

Мы с детства помним картинку из школьного учебника: вирус-бактериофаг с «головой»-многогранником, стебельчатым «туловищем» и несколькими «ножками», похожий на какой-то загадочный аппарат, садится на бактериальную клетку и впрыскивает в неё свой геном. Последствия операции – в клетке появляются новые вирусные частицы (всё те же «головы», «туловища» и «ножки»), которые в конце концов разрушают бактерию. Она кажется нам совершенно беззащитной перед вирусной атакой но было бы действительно странно, если бы бактериальные клетки не обзавелись противовирусной «системой сдерживания».

Бактериофаги под электронным микроскопом. (Фото Dr. Harold Fisher / Visuals Unlimited / Corbis.)

Бактериофаги на кишечной палочке.(Фото Dennis Kunkel Microscopy, Inc. / Visuals Unlimited / Corbis.)

Реплицирующаяся ДНК – два репликационные пузыри образовались там, где идёт синтез второй копии молекулы. (Фото Dr. Gopal Murti / Visuals Unlimited / Corbis.)

Такие системы действительно есть, и одну из них, под названием CRISPR/Cas, часто называют бактериальным иммунитетом – потому что с её помощью бактерия может запоминать информацию о вирусах и использовать её для защиты от будущих инфекций. То есть здесь у нас есть аналог иммунной памяти многоклеточных животных. Работает она так: в бактериальной хромосоме есть участок CRISPR, сокращённо от Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats – короткие палиндромные повторы в ДНК, регулярно расположенные группами. Повторы перемежаются другими последовательностями, которые происходят из генома бактериофагов. Это и есть «иммунная память». Когда в клетке появляется чужеродная ДНК, бактерия снимает РНК-копию с «запомненной» последовательности и сравнивает её с пришельцем. Если совпадение есть, значит, чужую ДНК нужно разрушить. Разумеется, вся процедура осуществляется с помощью специальных белковых комплексов.

Любая защитная система должна отличать своих от чужих. Наш иммунитет не должен атаковать здоровые клетки тела, соответственно, бактериальная система CRISPR/Cas должна как-то чувствовать разницу между ДНК вируса и ДНК самой бактерии ещё на стадии «запоминания». На самом деле, у бактерий есть и «аутоиммунные заболевания», когда система противовирусной защиты начинает повреждать их собственную ДНК, однако такие случаи весьма редки. То есть механизм различения «свой-чужой» всё же работает.

Как именно он работает, выясняли исследователи из Института Вейцмана  и Тель-Авивского университета. Они ввели в бактериальную клетку плазмиду, которая имитировала вирус. (Плазмидами называют небольшие кольцевые молекулы ДНК, существующие у бактерий наравне с главной большой хромосомой; они обладают значительной самостоятельностью и могут удваиваться вне зависимости от репликации хромосомы, которая привязана к клеточному делению.) С помощью белков Cas1 и Cas2 (которые входят в систему CRISPR/Cas) бактерия встраивала ДНК плазмиды в хромосому, причём именно туда, где должна храниться информация о вирусной инфекции.  

Оказалось, как пишут Ротем Сорек (Rotem Sorek) и его коллеги в Nature, система CRISPR и её белки Cas1 и Cas2 распознавали именно ту ДНК, которая слишком активно удваивалась. А ведь это вирусная стратегия: любой ценой создать как можно больше копий своего генома. Иными словами, если молекулярные компоненты CRISPR/Cas чувствовали ДНК, которая быстро размножается, то система делала вывод, что в клетку проник вирус и его нужно запомнить. Но как именно происходило узнавание?

При репликации ДНК в ней неизбежно случаются повреждения, разрывы, которые тут же ремонтируются репарационными машинами. Репарирующие ферменты сначала обрабатывают место повреждения так, чтобы его удобно было ремонтировать, а потом уже собственно ликвидируют разрыв. Вот в процессе подготовки к ремонту от ДНК и остаются фрагменты, которые «иммунная система» бактерий может подхватить и вставить в свою «библиотеку вирусов». С другой стороны, в бактериальной ДНК есть определённые сигнальные последовательности, которые говорят репарирующей машине, когда нужно прекратить улучшать место повреждения. Такие стоп-сигналы уменьшают количество ДНК-обрезков, которые может использовать система CRISPR/Cas. И – самое главное – таких стоп-сигналов много в ДНК бактерий, но почти нет в ДНК вирусов. То есть при ремонте вирусной ДНК молекулярного мусора образуется много, а при ремонте бактериальной ДНК – намного меньше. 

Получается, что бактериальные клетки используют два самых обычных процесса, репликацию и репарацию, чтобы отличить свою ДНК от чужой; но, кроме того, у них есть ещё и маркеры – специальные нуклеотидные последовательности, которые помогают оптимизировать процедуру и сделать её более эффективной.

Защитную систему CRISPR/Cas обнаружили всего несколько лет назад, и она мгновенно стала исследовательским «хитом». Дело не только в том, что, воздействуя на иммунитет вредных бактерий, мы можем подавить их рост с помощью бактериофагов, и тем самым уменьшить вероятность заболеваний. С помощью CRISPR/Cas, как оказалось, можно редактировать геномы животных – разумеется, для этого молекулярные составляющие системы программируются на распознавание участков в ДНК крысы или обезьяны. Год назад китайские специалисты из Нанкинского медицинского университета получили таким образом геномодифицированых макак-крабоедов, правда, модификацию осуществляли ещё на стадии эмбриона. Молекулярные инструменты «бактериального иммунитета» позволяют избавиться от вредных мутаций, заменять больной ген здоровым и т. д. Учитывая количество работ, посвящённых CRISPR/Cas, можно надеяться, что в скором времени редактирование генома человека, даже вполне взрослого, станет рутинной процедурой.