У эукариот есть белки, способные редактировать геном по методу бактериальной противовирусной системы.

На днях в Nature была опубликована статья, в которой говорится, что у грибов, водорослей, амёб и моллюсков есть нечто похожее на бактериальный генетический редактор CRISPR/Cas. О редакторе CRISPR/Cas мы много раз рассказывали, и особенно подробно — в связи с Нобелевской премией, которую за него присудили. Вкратце напомним, что Cas — это белок, который с помощью короткой вспомогательной молекулы РНК ищет определённое место в клеточной ДНК. Там, где последовательность вспомогательной РНК (или РНК-проводника) совпадает с ДНК, белок Cas делает надрез в ДНК. Что происходит дальше, зависит от конкретных биотехнологических задач. Клетка должна залатать разрыв, и тут ей можно в качестве образца для латки подсунуть какую-нибудь последовательность нуклеотидов, так что в разрезанном гене появится мутация. Собственно, CRISPR/Cas стал знаменит после того, как стало понятно, что с его помощью можно в буквальном смысле редактировать ДНК в самых разных организмах. Причём редактировать в конкретном месте — РНК-проводник проведёт фермент Cas именно туда, куда нужно.

(Фото: THAVIS 3D / Unsplash.com)

Но CRISPR/Cas создавали не с нуля. Изначально его обнаружили у бактерий, у которых эта система служит для защиты от вирусов. В лабораторном CRISPR/Cas вспомогательную РНК синтезируют экспериментаторы, у бактерий же эта РНК синтезируется на особом участке генома, который называется CRISPR. Здесь хранятся образцы вирусных последовательностей, которые некогда пробирались в бактерию и с которыми удалось справиться. Теперь образцы вирусных геномов служат противовирусному иммунитету. Бактерии легко подхватывают разнообразную ДНК из внешней среды, и часто эта ДНК оказывается полезной, несущей какие-то интересные гены. Если же ДНК вирусная, её узнает РНК, считанная из вирусной картотеки CRISPR, и фермент Cas вирусную ДНК расщепит.

Некоторое время назад у бактерий нашли ещё один похожий молекулярный аппарат, точнее, класс аппаратов, под названием OMEGA. Похожесть OMEGA на CRISPR/Cas состоит в том, что в обоих случаях есть белки, которые под руководством РНК режут ДНК. Если про CRISPR/Cas уже вполне понятно, что это защита от вирусов, то насчёт белков OMEGA не очень ясно, зачем они нужны. Зато удалось выяснить, что они связаны с так называемыми транспозонами, или мобильными генетическими элементами — небольшими участками генетической последовательности, которые могут самостоятельно путешествовать по геному, встраивая себя то туда, то сюда. (Мы подробно писали о некоторых транспозонах, которые произошли от вирусов.) Геномные исследования показали, что некоторые из Cas белков явно родственны белкам системы OMEGA, причём родственны таким образом, что OMEGA выступает предком Cas.

Потом и в геномах различных эукариот и эукариотических вирусов нашли некие белки Fanzor, похожие на белки системы OMEGA. Эукариотические Fanzor опять же выглядели как потомки OMEGA. И здесь уже легко представить, что некие бактериальные белки, которые одно время прыгали вместе с транспозонами по бактериальному геному, в какой-то момент перепрыгнули к эукариотам (к которым, напомним, относятся животные, растений, грибы и пр.). Как именно они перепрыгнули — через какую-то сложную систему вирусов или как-то ещё, — пока остаётся догадываться. Но, так или иначе, получалось, что бактерии подарили эукариотам белки Fanzor.

Однако долгое время оставалось непонятным, что могут делать белки Fanzor. Собственно, именно этому и посвящена недавняя статья в Nature: присутствие Fanzor у эукариот обнаружили давно, а сейчас удалось показать, что они работают так же, как белки OMEGA и Cas. Сотрудники Массачусетского технологического института экспериментировали с Fanzor, взятыми у грибов, водорослей, амёб и двустворчатых моллюсков венерок. Все Fanzor работали в паре с ωРНК — она играла роль направляющей РНК — и разрезали ДНК там, куда их приводила ωРНК. Дополнительный структурный анализ белков Fanzor, OMEGA и Cas снова показал их родство.

Что именно белки Fanzor сами по себе делают в эукариотических клетках, и делают ли вообще, ещё предстоит выяснить. Но биотехнологический потенциал у них есть: когда Fanzor внедряли в лабораторные человеческие клетки, они вносили модификации в клеточную ДНК именно туда, куда их просили. Исходные Fanzor работают медленно, однако с помощью мутаций их эффективность можно повысить, по меньшей мере, в десять раз. Большой плюс Fanzor в том, что они работают точнее, чем система CRISPR/Cas. Хотя про CRISPR/Cas и говорят, что её можно направить строго в определённый участок генома, на самом деле она разрезает ДНК ещё во множестве мест, которые ей кажутся правильными. Fanzor в этом смысле работает аккуратнее, и внедрять его в клетки проще, чем Cas-белки. Кстати, раз вполне рабочие белки Fanzor есть в таких разных эукариотах, как грибы и моллюски, то, возможно, свои Fanzor есть и у животных, в том числе и у людей, так что, возможно, для редактирования человеческого генома в будущем можно будет использовать человеческий фермент.