CRISPR zyskał naukową sławę dzięki swojej zdolności do szybkiej i dokładnej edycji genów. Jednak w istocie systemy CRISPR to układy odpornościowe, które pomagają bakteriom chronić się przed wirusami poprzez namierzanie i niszczenie wirusowego DNA i RNA. Nowe badanie opublikowane w Nauka ujawnia wcześniej nierozpoznanego gracza w jednym z takich systemów – białko błonowe, które wzmacnia obronę przeciwwirusową – jednocześnie poszerzając nasze zrozumienie i zadając więcej pytań związanych ze złożonością CRISPR.

Odkrywanie nowych wskazówek na temat CRISPR

Systemy CRISPR składają się z dwóch głównych komponentów – przewodnika RNA, który celuje w określoną wirusową sekwencję DNA lub RNA oraz enzymu Cas, który tnie docelowy DNA lub RNA, zapobiegając replikacji i rozprzestrzenianiu się wirusa. Zespół z University of Rochester Center for RNA Biology odkrył, że określone białko Cas (Cas13b) nie tylko tnie wirusowe RNA, ale także komunikuje się z innym białkiem (Csx28), aby wzmocnić jego obronę przeciwwirusową.

We współpracy z naukowcami z Cornell zespół odkrył, że białko Csx28 tworzy strukturę przypominającą pory (tzn. ma w sobie dużą dziurę). Kiedy zarażają E coli z fagiem (wirusem atakującym bakterie) i wdrożyli system CRISPR-Cas13 w celu namierzenia i zatrzymania infekcji, odkryli, że Cas13 wysyła sygnał do Csx28, aby wpłynąć na przepuszczalność błony. Gdy to nastąpi, Csx28 sieje spustoszenie w zainfekowanej komórce, dezorientując potencjał błonowy, miażdżąc metabolizm i utrudniając produkcję energii. Wirus nie może replikować się w tak niesprzyjających okolicznościach, co prowadzi do wniosku zespołu, że Csx28 wzmacnia obronę przed fagami CRISPR-Cas13b.

„To odkrycie podważa pogląd, że systemy CRISPR montują swoją obronę tylko poprzez degradację RNA i DNA w komórkach i naprawdę poszerza nasze spojrzenie na to, jak systemy CRISPR mogą działać” – powiedział dr Mitchell O’Connell, adiunkt na Wydziale Biochemii i Biofizyki w University of Rochester Medical Center (URMC) i członkiem UR Center for RNA Biology. „Kiedy myślimy o CRISPR, widzimy białka Cas, takie jak Cas9 lub Cas13, jako wielki młot wyrządzający wszystkie szkody, ale może tak nie być; odkryliśmy, że Cas13 i Csx28 współpracują ze sobą, aby skutecznie zwalczyć wirusa”.

„Kiedy czytasz ten artykuł, myślisz sobie…„ co? To taki dziwny mechanizm, a nie sposób, w jaki przewidziałbym, że bakterie będą działać” – dodał dr John Lueck, adiunkt na Wydziale Farmakologii i Fizjologii URMC. „To naprawdę imponujące, że zespół zidentyfikował to podobne do porów białko, które nie przypomina niczego innego, co widzieliśmy wcześniej, a teraz, gdy wiemy, że ten mechanizm istnieje, ludzie zaczną szukać go w innych systemach. Jest to ekscytujące, ponieważ w nauce, kiedy zarysujesz powierzchnię, często odkrywasz, że kryje się za nią zupełnie nowy świat”.

Więcej pytań niż odpowiedzi

Dzięki dodatkowej wiedzy na temat struktury Csx28 dzięki zastosowaniu krio-EM o wysokiej rozdzielczości, zespół zaczyna badać funkcję białka. Mnożą się pytania. Jeśli celem jest ochrona, dlaczego w membranie jest gigantyczna dziura? Zespół odkrył, że gdy Cas13 nie ma w pobliżu, Csx28 nie jest aktywny. Co sprawia, że ​​staje się aktywny w obronie? Jak długo pozostaje aktywny i co przepuszcza przez błonę? Zrozumienie biochemii stojącej za otwieraniem i zamykaniem porów rzuci światło na sposób, w jaki CRISPR-Cas13 wykorzystuje go jako część swojej obrony i zapewni punkt wyjścia do badania białek błonowych w innych systemach CRISPR.

„To odkrycie jest nieoczekiwane i rodzi wiele nowych pytań o to, w jaki sposób bakterie chronią się i co robią, aby przetrwać infekcję” – zauważył dr Mark Dumont, profesor biochemii i biofizyki w URMC, który spędził swoją karierę badając białka błonowe. „Jest to również bardzo interesujący interfejs między biologią RNA, CRISPR, biologią strukturalną i biologią błonową. Chociaż nie ma bezpośredniego znaczenia medycznego ani zastosowania, pomysły, które się z tego wypływają, mogą być bardzo potężne”.

Lueck dodaje: „Bardzo rzadko zdarza się, aby jedno badanie zawierało tak wiele prowokujących do myślenia elementów, które łączy kilka różnych dziedzin. A ponieważ koncepcje są zupełnie nowe, przyszłe prace nie będą obarczone dogmatami. Za każdym razem, gdy ludzie mogą wnieść świeże, nieskrępowane pomysły na stół, jest to naprawdę dobre dla nauki”.

Oprócz O’Connella, główny autor badania, dr Arica VanderWal, była absolwentka laboratorium O’Connella, która obecnie jest badaczem ze stopniem doktora na UC San Diego, przyczyniła się do badań. Absolwenci Julia K. Nicosia i Adrian M. Molina Vargas w laboratorium O’Connell, dr Bogdan Polevoda, adiunkt na wydziale Biochemii i Biofizyki w URMC oraz dr Elizabeth Kellogg i Jung-Un Park z wydziału Biologia i genetyka z Cornell University również wsparły badania. Badanie zostało sfinansowane przez National Institutes of Health.