Наши читатели уже наслышаны о технологии CRISPR/Cas9 и кое-что о ней знают: что это новый метод редактирования геномов, что его можно использовать для лечения наследственных (и не только) болезней, что в некоторых странах уже начинаются его клинические испытания, и что вся эта технология основана на открытии системы антивирусного иммунитета бактерий, которая работает как своеобразная «картотека» фрагментов вирусной ДНК (освежить свои знания можно здесь). Но если посмотреть подробнее, то оказывается, уже сейчас известны несколько разных типов и классов CRISPR-систем, у которых разная и своеобразная биология. Чем отличаются эти классы друг от друга?

В принципе, разные CRISPR системы это, как говорят по-английски, разные способы снять шкуру с кошки. Все они — результат нескончаемой войны между бактериями и их паразитами. Объединяет CRISPR системы то, что они являются системами адаптивного иммунитета. Адаптивность в данном случае означает, что система может захватить фрагмент генетической информации паразита (это может быть не только вирус, но и плазмида или какой-то другой мобильный генетический элемент) и встроить его в CRISPR-кассету, которая является частью генома бактерии. И такой благоприобретенный фрагмент будет работать, как молекулярная память, позволяющая потомкам бактерии обнаруживать и предотвращать инфекции «запомнившимся» паразитом.

Даже такое поверхностное описание подразумевает существование двух стадий действия CRISPR систем: стадию адаптации, то есть приобретения «молекулярной памяти», и стадию ее применения — что вы с этой памятью делаете, как вы ее используете для борьбы с паразитами. Так вот, единственное, что объединяет разные типы CRISPR систем, — это модуль адаптации. Его составляют два белка Cas1 и Cas2, которые отвечают за захват чужеродной генетической информации и встраивание ее в CRISPR-кассету. Эти белки закодированы во всех CRISPR системах.

А вот когда первая задача решена, когда необходимая информация в CRISPR кассете уже есть, уничтожать паразита можно самыми разными способами. В ходе эволюции было несколько случаев соединения одного и того же модуля адаптации с различными модулями интерференции — «машинками» для уничтожения чужеродной генетической информации. В результате возникли разные классы и типы CRISPR-систем. Реконструкцией их естественной истории сейчас активно занимается один из соавторов нашей статьи, биоинформатик Евгений Кунин.

Классификация CRISPR-систем основана на различиях в модулях интерференции, исполнителях или экзекуторах. Эти исполнители должны уметь много чего делать: сначала они должны физически провзаимодейстовать с хранящимся в CRISPR кассете «воспоминанием» в виде РНК, затем донести его до мишени, примерить к ней и, в случае совпадения, уничтожить эту мишень. Есть два класса CRISPR-систем: у класса II все экзекуции делает один, но очень большой белок, у систем класса I эти функции разделены между несколькими отдельными, разными белками, каждый из которых играет свою собственную роль. Широкую известность получили только системы второго класса, где все делает один белок-многостаночник. Просто потому, что с точки зрения практических применений с одним белком работать гораздо проще, чем с десятком.

Внутри каждого класса выделяют несколько типов исполнителей, которые объединяются по принципу общности происхождения. Есть, например, белок Cas9, который сейчас широко используется при редактировании геномов, а есть белок Cpf1, который делает примерно то же самое и имеет примерно такой же размер, но устроен по-другому и не является родственником белкам Cas9. Ситуация примерно такая же, как с крыльями у бабочек, птиц и летучих мышей: они делают одно и то же, но имеют совершенно разное происхождение.

Новая система, которую мы совместно с Евгением Куниным и Фенгом Жангом нашли и описываем в нашей статье, похожа на CRISPR/Cas9 по своей работе, по идеологии, но не родственна ни ей, ни Cpf1. Нахождение и уничтожение мишени осуществляется новым, ранее неизвестным белком, названным C2c2. А так как он неродственный, то и делает он все по-другому. Это не значит, что он обязательно будет работает лучше известных белков, но у него могут быть преимущества, важные для биотехнологии и медицины.

Системы первого класса (I, III и IV типа) — многосубъединичные. С точки зрения биологии, на мой взгляд, они гораздо интереснее (потому что они сложные, сложность всегда захватывает, ее интересно понять), но с точки зрения практического применения, конечно, с ними работать тяжелее. Поэтому биотехнологи их пока избегают. Хотя в принципе, из-за разделения функций весь процесс поиска, анализа и уничтожения мишени в таких системах становится гораздо более точным.

Что, казалось бы, как раз очень хорошо для геномного редактирования?

Да, хорошо, но уж очень эти системы сложные и громоздкие. Ведь для того, чтобы редактировать геном, вам надо упаковать весь эксекуторский инструментарий в какое-то средство доставки в эукариотическую клетку. Например, в аденовирус. А «грузоподъемность» аденовируса, фактически, длина генов, которые можно упаковать в вирусную оболочку, к сожалению, очень ограничена.

Тем не менее, среди многосубъединичных систем есть очень интересные. Например, системы III типа, которые в качестве мишеней действуют не на ДНК, а на РНК. Зачем это нужно? Дело в том, что многие вирусы действуют очень хитро — при проникновении в клетку они первым делом встраивают свой геном в геном клетки, становятся его частью. И сидят там, тише воды, ниже травы, представляя клетке возможность делиться, и следовательно, увеличивать количество вирусных геномов. Если у вас в CRISPR кассете есть память о таком вирусе, то система его найдет и, естественно, уничтожит . И собственная клеточная ДНК попадет «под раздачу» вместе с вирусной, клетка погибнет. Поэтому «умные» системы III типа ищут мишень не собственно в геноме, а только среди работающих копий генов, тех, которые производят РНК. До тех пор, пока вирус в геноме сидит тихо и ничего не делает, его гены неактивны и система иммунитета его не видит и не трогает. Как только вирус начинает размножиться, синтезировать вирусную РНК (на основе которой потом получатся белки и вирусные частицы), клетка «понимает», что с ней происходит что-то очень нехорошее и пора действовать. CRISPR системa III типа активируется и уничтожает вирус, правда, заодно, уничтожив и клетку-носителя.

Читать дальше.