Самая известная технология редактирования генов берет свое начало от прокариотов.

                                

Разбираем мир микробиологии по кусочкам


Самая известная технология редактирования генов берет свое начало от прокариотов.

CRISPR представляет собой самую известную на сегодняшний день технологию по редактированию генов. Она быстрее, дешевле, и эффективнее любых других существующих аналогов. Ученые уверены, что CRISPR может быть использован для редактирования геномов растений, животных, и даже человека. Так называемая “генная терапия” с использованием CRISPR может быть применена для лечения генетических заболеваний или остановки процессов старения. К примеру, китайские ученые смогли использовать CRISPR для редактирования гена CCR5 у младенцев-близнецов. CCR5 активирует развитие ВИЧ-инфекции, и поэтому изменение этого гена может защитить от развития вирусной инфекции. Данный эксперимент демонстрирует использование CRISPR в современном мире и контексте. Но каково было начало этой уникальной технологии? Несмотря на то, что этот инструмент чаще всего используется на человеческих клетках, биологическое начало этого механизма лежит в генах прокариот.

По своей сути, CRISPR является “иммунной системой” прокариот. Дело в том, что бактерии и археи часто находятся под атакой вирусных хищников – бактериофагов. Для защиты, прокариоты используют различные противовирусные механизмы, в том числе и CRISPR (расшифровывается как “регулярно расположенные группами короткие палиндромные повторы”). Определенная область в геноме прокариот, называемая локусом CRISPR, содержит несколько копий одних и тех же генетических последовательностей. Эти повторяющиеся последовательности чередуются с изменяющимся последовательностями, известными как спейсеры (Изображение 1). Ключевой особенностью спейсеров является то, что они идентичны последовательностям, найденные у бактериофагов и других организмов, содержащие чужеродные элементы ДНК. Таким образом, аналогично человеческой иммунной системе, спейсеры CRISPR предствяляют собой молекулярную “память” о предыдущих вирусных атаках. Преимущество такой памяти состоит в том, что при заражении вирусом, с которым бактерии и археи уже ранее сталкивались, “иммунная система” быстро распознает и уничтожает чужеродный генетический материал, избегая заражения.

Изображение 1: Локус CRISPR у бактерии Streptococcus thermophilus. Черные ромбы представляют собой повторяющиеся последовательности, а пронумерованные серые прямоугольники – последовательности-спейсеры. Буквы L и T обозначают начало и конец области повтора / спейсера, соответственно. Источник изображения: Barrangou et al.

Первое упоминание о CRISPR было сделано в 1993 году ученым Франсиско Мохика1. Однако, биологические функции этого участка генома не были до конца изучены. Только спустя почти два десятилетия ученые, работающие в молочной компании Danisco в Копенгагене, смогли определить роль CRISPR в защите от вирусных инфекций3. Важно отметить, что молочная промышленность крайне заинтересована в понимании защитных механизмов бактерий, поскольку бактериальные культуры, необходимые для ферментации молочных продуктов, часто подвержены вирусным атакам. Ученые Родольф Баррангу и Филипп Хорват впервые экспериментально продемонстрировали, что последовательности CRISPR защищают бактерии от фагов за счет встраивания гомологичных геномных последовательностей3.

Для своего исследования Баррангу и Хорват использовали бактерию Streptococcus thermophilus, которая в процессе своего метаболизма производит молочную кислоту. Этот организм стал моделью для изучения CRISPR-зависимого иммунитета бактерий против бактериофагов. Анализ локусов CRISPR у фаго-чувствительных и фаго-устойчивых штаммов S.thermophilus показал, что устойчивые к фагам штаммы имеют большее количество последовательностей-спейсеров, что позволяет предположить, что спейсеры являются ключом к бактериальному иммунитету3.

Как S.thermophilus находит спейсеры для своего генома? Работа ученых продемонстрировала, что локусы CRISPR динамичны и имеют возможность быстро изменяться в процессе взаимодействия с бактериофагами3. Чтобы доказать это, исследователи соединили фагочувствительный штамм S.thermophilus с вирулентным фагом 858. Это позволило им создать бактериальные штаммы, устойчивые к инфекциям. Анализ CRISPR у выживших бактерий выявил встраивание дополнительных спейсеров в геном. Важно отметить, что новые последовательности-спейсеры были идентичны последовательностям, обнаруженные у бактериофага. Кроме того, бактерии, которые имели небольшие несовпадениями в спейсерах с последовательностями у фагов, были более подвержены инфекции. Получается, что сходство последовательностей фага и спейсеров у бактерий имеет решающее значение для противовирусной защиты.

На основе полученных данных, исследователи выдвинули гипотезу о том, что информация, кодируемая спейсерами CRISPR, обеспечивает устойчивость против инфекции. В данном эксперименте, ученые смогли изменить локусы CRISPR штаммов S.thermophilus, и определить каково же их влияние на защиту от фагов (Изображение 2)3. Для начала, исследователи сосредоточились на спейсерах S1 и S2, которые соответствовали последовательностям, найденные у бактериофага 858. Они ввели S1 и S2 в локус CRISPR S.thermophilus, чувствительного к фагу 858, и обнаружили, что этот штамм стал более устойчивым к инфекциям (Изображение 2, I). Затем, они удалили спейсеры из локуса CRISPR с устойчивостью к фагу 858. Результат показал, что этот штамм мог быть инфицирован фагом (Изображение 2, II). Таким образом, они доказали, что наличие спейсеров является признаком крайне специфического ответа иммунитета на конкретный вид бактериофага3.

Изображение 2: Разработка локуса CRISPR у бактерии Streptococcus thermophilus. Авторы показали, что спейсеры S1 и S2 обеспечивают специфическую защиту от бактериофага 858. Источник изображения: Barrangou et al.

Спейсеры не единственные компоненты, важные для активности механизма CRISPR. Рядом с локусами CRISPR находится набор генов под названием cas, который также необходим для противовирусной защиты (Изображение 1 и 2)1,3. С момента экспериментов Баррангу и Хорвата, исследователи сделали большой шаг вперед в описании роли генов cas в бактериальном иммунитете1. Такое глубокое и коллективное изучение механизма CRISPR позволило ученым использовать его для редактирования генов, тем самым открывая дверь в мир биотехнологий, которые в будущем благоприятно повлияют на здоровье человека и лечение болезней.


  1. Lander, E.S.  (2016). The Heroes of CRISPR. Cell 164, 18-28. 
  2. Raposo, V.L. (2019). The First Chinese Edited Babies: A Leap of Faith in Science. JBRA Assist Reprod. 23, 197-199. 
  3. Barrangou, R., Fremaux, C., Deveau, H., Richards, M., Boyaval, P., Moineau, S., Romero, D.A., and Horvath, P. (2007). CRISPR provides acquired resistance against viruses in prokaryotes. Science 315, 1709–1712.

Featured image: https://i1.wp.com/foodcrumbles.com/wp-content/uploads/2018/07/Home-made-yogurt-1-2.jpg?fit=750%2C500&ssl=1

Перевод был сделан Марией Мартыновой