CRISPR-Cas является частью иммунной системы бактерий и используется для борьбы с вирусами. В системе CRISPR-Cas9 фермент Cas9 разрезает вирусную ДНК в месте, указанном молекулой РНК, известной как CRISPR RNA (crRNA) в комплексе с другой РНК, так называемой tracrRNA. Это выводит из строя болезнетворные микроорганизмы.
В 2011 году Эммануэль Шарпантье и ее сотрудники описали, что система состоит из двух РНК, образующих дуплекс (tracrRNA и pre-crRNA), с tracrRNA, созревающими пре-crRNA в crRNA, в присутствии белка Cas9 (ранее называвшегося Csn1) . Год спустя Эммануэль Шарпантье и его коллеги продемонстрировали, что tracrRNA и crRNA вместе, будь то в форме дуплекса двух направляющих РНК или слитой единственной направляющей РНК, необходимы для специфического направления фермента Cas9 к соответствующей последовательности целевой ДНК.С тех пор CRISPR-Cas9 стал штурмом лабораторий.
На это возлагают большие надежды и ученые, и клиницисты: последний стремится использовать ферментные ножницы для лечения тяжелых генетических заболеваний.«Хотя работа CRISPR-Cas9 кажется простой, детали задействованных механизмов довольно тонки», — говорит Шарпантье, директор Института биологии инфекций им. Макса Планка. Прежде чем молекула crRNA сможет показать белку Cas9 точку отсечения, она должна быть преобразована в свою окончательную форму: белки, расщепляющие РНК, необходимы для возникновения функционирующей crRNA.
Одна из них — РНКаза III. В 2011 году Шарпантье обнаружил, что этот фермент участвует в процессе созревания crRNA вместе с tracrRNA.
Минималистичная CRISPR-системаИсследователи обнаружили, что механизм иммунной защиты некоторых бактерий проще по структуре, чем CRISPR-Cas9. Помимо Cas9, эти бактерии используют фермент Cpf1 для расщепления чужеродной ДНК.
Теперь результаты показывают, что Cpf1 может разрезать как РНК, так и ДНК. Cpf1 сначала удаляет участки crRNA и тем самым способствует созреванию. Дополнительные ферменты созревания, такие как РНКаза III, не требуются.
Зрелая молекула РНК затем направляет Cpf1 к его целевому участку на ДНК.Таким образом, Cpf1 выполняет двойную функцию: он обеспечивает функционирование crRNA, а затем расщепляет ДНК специфическим для последовательности образом.
Кроме того, в отличие от Cas9, Cpf1 не зависит от помощи молекулы tracrRNA в достижении своего места назначения. Следовательно, он даже проще по структуре, чем CRISPR-Cas9. «CRISPR-Cpf1 — это система plug-and-play, не требующая дополнительных компонентов. Напротив, CRISPR-Cas9 в естественных условиях нуждается в помощнике для активации системы», — поясняет Шарпантье.«Если система CRISPR-Cpf1 обеспечивает какую-либо ощутимую добавленную стоимость по сравнению с системой CRISPR-Cas9, когда дело доходит до редактирования эукариотических генов, еще предстоит выяснить.
Однако поразительно видеть, как эволюция преуспела в создании радикально минималистичной, но эффективной иммунной системы. для борьбы с вторгающимися вирусами », — говорит Шарпантье. «В будущем в природе может появиться больше таких систем, их поиск уже идет полным ходом».