На эволюцию прокариотических систем CRISPR-Cas влияют аутоиммунные реакции

Короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами (clustered regularly interspaced short palindromic repeats, CRISPR) и ассоциированные с ними белки рестрикции Cas (CRISPR-associated proteins) являются основой прокариотического иммунитета против бактериофагов. В CRISPR-зоне генома повторы чередуются с участками вирусной ДНК — спейсерами. Эти участки служат матрицей для синтеза гидовой РНК, которая «подсказывает» рестриктазе Cas, какой участок генома надо вырезать.

Авторы новой работы, опубликованной в Current Biology, предполагают, что приобретение новых спейсеров от другой бактерии может стать причиной аутоиммунной реакции в системе CRISPR. Это происходит, когда чужеродный спейсер и сегмент генома хозяина достаточно похожи. Они вывели формулу для вероятности появления аутоиммунного спейсера и обнаружили, что вероятность такого события достаточно высока — порядка 0,1%.

Затем исследователи совместили свою формулу с моделью роста бактериальной колонии в условиях вирусной атаки. После нескольких математических операций они пришли к выводу, что количество спейсеров экспоненциально зависит от средней длины спейсера. Штаммы с более короткими спейсерами будут иметь в среднем более высокий риск аутоиммунного ответа и меньший репертуар спейсеров (авторы отмечают, что аналогичное соотношение между размером области связывания антитела и широтой репертуара было предложено для адаптивного иммунитета позвоночных).

Чтобы подтвердить выводы своей модели, ученые проанализировали данные о разных системах CRISPR бактерий и архей. Они сгенерировали выборку так, чтобы в ней не было родственных CRISPR систем. Предсказание выведенной формулы сходилось с реальными данными независимо от вида или рода прокариот.

Исследователи предположили, что прокариоты с дефектными генами Cas будут легче переносить аутоиммунную реакцию. Вследствие этого зависимость между количеством спейсеров и их длиной будет нарушаться. Чтобы подтвердить свою догадку, ученые отфильтровали данные по количеству дефектных Cas генов. Действительно, у прокариот с поврежденными генами Cas длина спейсера и размер репертуара никак не были связаны.

Ученые выяснили, что длина спейсера может быть предиктором размера репертуара для каждого из типов CRISPR систем. Так, например, системы типа II имеют самые короткие спейсеры и, согласно разработанной теории, представляют наименьший размер репертуара. Напротив, системы типа I с наибольшей длиной спейсеров обладают большим их количеством.

Хотя размер репертуара в среднем экспоненциально зависит от длины спейсера, в отдельных штаммах существуют отклонения от этого закона. Ученые утверждают, что эти различия могут быть объяснены стохастической динамикой размера репертуара. В таком случае приобретение спейсера и его утрата являются случайным процессом. Чтобы подтвердить свои выводы, они проверили три модели. В первой модели каждый спейсер удалялся из репертуара или появлялся в нем с определенной вероятностью. Во второй модели все спейсеры удалялись единовременно. Третья модель представляла собой гибрид первой и второй модели — новые спейсеры появлялись независимо друг от друга, а старые удалялись небольшими группами. В результате анализа ученые обнаружили, что лучше всего данные описывает гибридная модель.

Таким образом, предотвращение гетерологичного аутоиммунитета — одна из сил, формирующих эволюцию систем CRISPR-Cas. Это может считаться аналогией процесса в адаптивной иммунной системе позвоночных. Иммунная система прокариот также находит компромисс между устойчивостью к максимальному числу патогенов и риском аутоиммунной реакции.