У бактериофагов обнаружили CRISPR-системы всех известных типов

Основное предназначение систем CRISPR-Cas — обеспечить защиту бактерий и архей от вирусных инфекций, однако известны случаи, когда CRISPR-системы встречаются в геномах фагов. Ученые из Калифорнийского университета, работающие под руководством нобелевского лауреата Дженнифер Дудны, использовали метагеномные данные и обнаружили множество фаговых CRISPR-систем, которые, по-видимому, служат для борьбы с другими вирусами. В фаговых геномах нашли системы CRISPR-Cas всех шести типов, известных на данный момент, хотя зачастую фаговые системы лишены каких-то элементов.

Ученые использовали для метагеномного анализа образцы почвы, воды, а также микробиомов животных и человека. В геномах фагов, полученных из этих образцов, авторы выявили более 6000 CRISPR-систем. Тем не менее, фаги, имеющие системы CRISPR-Cas, составляют всего 0,4% от известных науке фагов. В то же время эта доля составляет 40% у бактерий и 85% у архей, поэтому собственные системы CRISPR-Cas у фагов все же встречаются редко.

Выявленные у фагов системы CRISPR-Cas отнесли ко всем шести известным типам CRISPR-систем, однако зачастую фаговые системы лишены каких-то компонентов систем прокариот либо существенно модифицированы. Например, в системах III типа прокариот белок Cas10 превращает АТФ во вторичный посредник циклический олигоаденилат (cOA), активирующий иммунный ответ через рибонуклеазу Csm6. В фаговых системах III типа Cas10 несет мутации, делающие его неспособным продуцировать cOA, а Csm6 отсутствует. Многие фаги несут системы CRISPR-Cas с одним миниатюрным эффекторным белком, взаимодействующим с crРНК. Кроме того, у некоторых литических фагов были выявлены системы IV типа, которые обычно локализуются на плазмидах и зачастую лишены локуса CRISPR.

Особое внимание авторы обратили на фаговую систему CRISPR-Cas с уникальным эффекторным белком Casλ, не похожим по последовательности ни на один из известных белков. Этот белок был найден в геномах огромных фагов, родственных кладе Mahaphage. crРНК, направляющая Casλ к двуцепочечной ДНК, имеет очень необычную пространственную структуру. Чтобы исследовать, каким образом Casλ в комплексе с crРНК взаимодействует с двуцепочечной ДНК, авторы получили структуру тройного комплекса с помощью криоэлектронной микроскопии. Они показали, в частности, что для взаимодействия с необычной по структуре crРНК у Casλ имеется узнающая область белка, существенно отличающаяся от функционально аналогичных областей у других белков Cas.

Авторы изучили возможность использования Casλ для редактирования генома. Хотя комплекс Casλ с гидовой РНК имеет малые размеры по сравнению с Cas12a, экспериментальная проверка показала, что в редактировании генома Casλ ничуть не уступает белку Cas12a, а порой даже превосходит его по точности. Эффективное редактирование генома с помощью Casλ показали на клетках млекопитающих и растений, что открывает широкие перспективы для дальнейшего использования этого белка.

Маленькие нуклеазы огромных фагов — новый инструмент для редактирования геномов