CRISPR/Cas-системы

На рисунке изображен механизм действия «умных ножниц» для ДНК — систем CRISPR/Cas. За этой аббревиатурой скрывается мощный инструмент для редактирования геномов, механизм действия которого, как это часто бывает, был подсмотрен у природы и поставлен на службу человеку.

У многих бактерий и архей есть аналог нашей иммунной системы. Он позволяет запоминать вирусы и пресекать повторные попытки заражения. В качестве запоминающего устройства используется специальный участок ДНК (CRISPR-кассета, англ. Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats), выглядящий как много уникальных последовательностей, разделенных повторами. Уникальные последовательности — это куски генетического кода вирусов, пытавшихся когда-то заразить бактерию, по сути их идентификаторы. Каждый раз, когда бактерия справляется с вирусной инфекцией, кусок вирусной ДНК встраивается в начало кассеты. Таким образом получается что-то вроде медицинской карты бактерии, где все ее болезни записаны в хронологическом порядке.

Так называемая CRISPR-РНК (crРНК), синтезирующаяся с этого участка, связывается с комплексом Cas белков, тоже кодируемых в геноме бактерии. Подобно шерифу с портретом преступника, Cas (обозначен бежевым на верхнем рисунке) с crРНК (зеленым) перемещается по клетке и при встрече с самим преступником — вирусным кодом с гомологичным участком (синим) — разрезает его, подавляя заражение.

По идее, эта система должна разрезать не только вирусную ДНК, но и свою собственную в том самом месте, где находится CRISPR-кассета. Этого не происходит потому что бактерия может отличить свою ДНК от чужеродной по дополнительным маркирующим последовательностям ДНК. В некоторых типах систем размечена бактериальная ДНК, а в некоторых — вирусная.

Комплекс с белком Cas9 находит участок ДНК (синий), гомологичный имеющейся crРНК (зеленый), гибридизуется с ним и делает двухцепочечный разрез, в который потом при помощи гомологичной рекомбинации на основании образца вставляется искомый участок. Образец состоит из гомологичной последовательности (синий), снабженной вставкой (красный) в нужном месте. Рисунок с сайта sites.tufts.edu

Оказалось, что Cas может работать не только в бактериальных клетках. Если подсунуть ему вместо crРНК c вирусным кодом какую-нибудь другую, он будет резать ДНК там, где найдется гомологичный фрагмент. Это свойство придумали использовать при редактировании генома: сперва этими «умными ножницами» делается разрез нужного участка ДНК, а потом повреждение «залечивается» по заданному образцу ДНК, в котором заложены требуемые изменения.

Рисунок с сайта artofthecell.com.

См. также:
1) Прокариотическая система иммунитета поможет редактировать геном, «Элементы», 12.03.2013.
2) Бактерии наследуют приобретенный иммунитет, «Элементы», 21.01.2010.

Вера Мухина