Молекулярне сміття допомагає бактеріальній клітині запам'ятовувати послідовності з вірусних генів, щоб згодом використовувати їх для відбиття вірусної атаки.
Ми з дитинства пам'ятаємо картинку зі шкільного підручника: вірус-бактеріофаг з «головою» -многогранником, стебельчастим «тулубом» і кількома «ніжками», схожий на якийсь загадковий апарат, сідає на бактеріальну клітку і впорскує в неї свій геном. Наслідки операції - в клітці з'являються нові вірусні частинки (все ті ж «голови», «тулуба» і «ніжки»), які врешті-решт руйнують бактерію. Вона здається нам абсолютно беззахисною перед вірусною атакою але було б дійсно дивно, якби бактеріальні клітини не обзавелися противірусною «системою стримування».
Такі системи дійсно є, і одну з них, під назвою CRISPR/Cas, часто називають бактеріальним імунітетом - тому що з її допомогою бактерія може запам'ятовувати інформацію про віруси і використовувати її для захисту від майбутніх інфекцій. Тобто тут у нас є аналог імунної пам'яті багатоклітинних тварин. Працює вона так: у бактеріальній хромосомі є ділянка CRISPR, скорочена від Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats - короткі паліндромні повтори в ДНК, регулярно розташовані групами. Повтори змінюються іншими послідовностями, які походять з геному бактеріофагів. Це і є «імунна пам'ять». Коли в клітці з'являється чужорідна ДНК, бактерія знімає РНК-копію із «запам'ятаної» послідовності і порівнює її з прибульцем. Якщо збіг є, значить, чужу ДНК потрібно зруйнувати. Зрозуміло, вся процедура здійснюється за допомогою спеціальних білкових комплексів.
Будь-яка захисна система повинна відрізняти своїх від чужих. Наш імунітет не повинен атакувати здорові клітини тіла, відповідно, бактеріальна система CRISPR/Cas повинна якось відчувати різницю між ДНК вірусу і ДНК самої бактерії ще на стадії «запам'ятовування». Насправді, у бактерій є і «аутоімунні захворювання», коли система противірусного захисту починає пошкоджувати їх власну ДНК, проте такі випадки досить рідкісні. Тобто механізм розрізнення «свій-чужий» все ж працює.
Як саме він працює, з'ясовували дослідники з Інституту Вейцмана і Тель-Авівського університету. Вони ввели в бактеріальну клітку плазміду, яка імітувала вірус. (Плазмідами називають невеликі кільцеві молекули ДНК, що існують у бактерій нарівні з головною великою хромосомою; вони мають значну самостійність і можуть подвоюватися незалежно від реплікації хромосоми, яка прив'язана до клітинного поділу.) За допомогою білків Cas1 і Cas2 (які входять в систему CRISPR/Cas) бактерія вбудовувала ДНК плазміди в хромосому, причому саме туди, де повинна зберігатися інформація про вірусну інфекцію.
Виявилося, як пишуть Ротем Сорек (Rotem Sorek) і його колеги в Nature, система CRISPR і її білки Cas1 і Cas2 розпізнавали саме ту ДНК, яка занадто активно подвоювалася. Адже це вірусна стратегія: будь-якою ціною створити якомога більше копій свого геному. Іншими словами, якщо молекулярні компоненти CRISPR/Cas відчували ДНК, яка швидко розмножується, то система робила висновок, що в клітку проник вірус і його потрібно запам'ятати. Але як саме відбувалося впізнавання?
При реплікації ДНК в ній неминуче трапляються пошкодження, розриви, які тут же ремонтуються репараційними машинами. Репаруючі ферменти спочатку обробляють місце пошкодження так, щоб його зручно було ремонтувати, а потім вже власне ліквідовують розрив. Ось у процесі підготовки до ремонту від ДНК і залишаються фрагменти, які «імунна система» бактерій може підхопити і вставити в свою «бібліотеку вірусів». З іншого боку, в бактеріальній ДНК є певні сигнальні послідовності, які говорять репаріюючій машині, коли потрібно припинити покращувати місце пошкодження. Такі стоп-сигнали зменшують кількість ДНК-обрізків, які може використовувати система CRISPR/Cas. І найголовніше - таких стоп-сигналів багато в ДНК бактерій, але майже немає в ДНК вірусів. Тобто при ремонті вірусної ДНК молекулярного сміття утворюється багато, а при ремонті бактеріальної ДНК - набагато менше.
Виходить, що бактеріальні клітини використовують два найбільш звичайних процеси, реплікацію і репарацію, щоб відрізнити свою ДНК від чужої; але, крім того, у них є ще й маркери - спеціальні нуклеотидні послідовності, які допомагають оптимізувати процедуру і зробити її більш ефективною.
Захисну систему CRISPR/Cas виявили всього кілька років тому, і вона миттєво стала дослідницьким «хітом». Справа не тільки в тому, що, впливаючи на імунітет шкідливих бактерій, ми можемо придушити їх зростання за допомогою бактеріофагів, і тим самим зменшити ймовірність захворювань. За допомогою CRISPR/Cas, як виявилося, можна редагувати геноми тварин - зрозуміло, для цього молекулярні складові системи програмуються на розпізнавання ділянок у ДНК щури або мавпи. Рік тому китайські фахівці з Нанкинського медичного університету отримали таким чином геномодифікованих макак-крабоїдів, щоправда, модифікацію здійснювали ще на стадії ембріона. Молекулярні інструменти «бактеріального імунітету» дозволяють позбутися шкідливих мутацій, замінювати хворий ген здоровим тощо. Враховуючи кількість робіт, присвячених CRISPR/Cas, можна сподіватися, що незабаром редагування генома людини, навіть цілком дорослого, стане рутинною процедурою.