CRISPR теперь умеет не только резать ДНК, но и замораживать заражённые клетки

Каждое живое существо на Земле нуждается в защите, и даже такие простые организмы, как бактерии, не являются исключением. Несмотря на свою примитивность, они умеют защищаться от вирусов весьма изощрённо. Самым известным примером такой защиты стал CRISPR-Cas9 — система, которая легла в основу первой одобренной в США технологии редактирования генома.

В течение последнего года учёные из Лаборатории бактериологии Рокфеллеровского университета под руководством Лучано Мараффини и Лаборатории структурной биологии в онкологическом центре имени Слоуна-Кеттеринга под руководством Диншоу Пателя изучали важные компоненты некоторых систем CRISPR, известные как CARF-эффекторы. Эти белки выполняют одну ключевую задачу — останавливают деятельность заражённой клетки, чтобы вирус не успел распространиться на другие бактерии.

В недавней публикации в журнале Science исследователи объявили об открытии нового CARF-эффектора, получившего название Cat1. Уникальная структура этой молекулы позволяет ей разрушать важнейший для жизни метаболит — NAD+, без которого клетка теряет способность функционировать. Оказавшись без «топлива», вирус не может продолжать атаку, и инфекция замирает на месте.

По словам Мараффини, разнообразие механизмов действия этих белков поражает: «Работа наших лабораторий показывает, насколько эффективны — и насколько разные — бывают CARF-эффекторы. Их молекулярные возможности действительно удивительны».

CRISPR-системы, в том числе тип III с участием Cas10, известны тем, что узнают вирусную ДНК, а затем запускают каскад защитных реакций. Однако помимо хорошо изученного «генетического скальпеля» с участием Cas-ферментов, оказалось, что эти системы вооружены куда большим арсеналом. Например, другой эффектор Cam1 вызывает потерю мембранного потенциала у заражённой клетки, а Cad1 заливает её токсичными молекулами.

Cat1 действует иначе. Сначала он активируется при помощи молекул cA4 — сигнальных посредников, которые вырабатываются при обнаружении вируса. Эти молекулы связываются с белком и запускают разрушение NAD+, жизненно важного вещества для нормальной работы клетки. Когда его становится недостаточно, клетка просто замирает. Это состояние блокирует размножение вируса и не даёт ему выйти за пределы одной клетки.

Структура Cat1 оказалась особенно сложной. Постдок Пуджа Маджумдер с помощью криоэлектронной микроскопии показала, что Cat1 формирует длинные филаменты — белковые нити, склеенные молекулами cA4. Эти нити буквально ловят NAD+ в молекулярные карманы и уничтожают его. Более того, филаменты Cat1 могут собираться в треугольные и даже пятиугольные спиральные структуры, назначение которых пока остаётся загадкой.

Ещё один неожиданный момент: в большинстве бактерий, где присутствует Cat1, он действует в одиночку. Обычно в системах типа III работают несколько механизмов иммунитета одновременно, но Cat1, по-видимому, справляется сам.

Мараффини считает, что открытие поднимает множество новых вопросов: «Мы уже показали, что CARF-эффекторы эффективно предотвращают размножение вирусов. Но теперь нам предстоит разобраться в деталях, как именно они это делают. Думаю, самое интересное ещё впереди».