Biochemicy z Uniwersytetu Stanowego Utah, Thomson Hallmark i Ryan Jackson, wraz ze współpracownikami, opublikowali w tym tygodniu nie jedną, ale dwie kluczowe prace w najlepszym recenzowanym czasopiśmie. Ich wyniki opisują strukturę i działanie nowo odkrytego systemu immunologicznego CRISPR, który – w przeciwieństwie do lepiej znanych systemów CRISPR, które dezaktywują obce geny w celu ochrony komórek – wyłącza zainfekowane komórki, aby udaremnić infekcję.
„W przypadku tego nowego systemu, znanego jako Cas12a2, obserwujemy strukturę i funkcję niepodobną do niczego, co do tej pory zaobserwowano w systemach CRISPR” – mówi Jackson, adiunkt na Wydziale Chemii i Biochemii stanu Utah.
Naukowcy z USU wraz z kolegami z niemieckiego Instytutu Helmholtza do Badań nad Infekcjami Opartymi na RNA, amerykańskiej firmy biotechnologicznej Benson Hill i Uniwersytetu Teksańskiego w Austin w tandemie „Cas12a2 Elicits Abortive Infection via RNA-triggered Destruction of dsDNA” i „RNA Targeting Unleashes Indiscriminate Nuclease Activity of CRISPR-Cas12a2” w numerze z 4 stycznia Nature.
Badania są wspierane przez U.S. Department of Health & Human Services National Institutes of Health.
CRISPR, łatwy do opanowania akronim oznaczający „Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats”, zawładnął wyobraźnią zarówno naukowców, jak i laików dzięki możliwościom edycji genów. Badania nad sekwencjami DNA CRISPR i białkami związanymi z CRISPR (Cas), które są w rzeczywistości systemami odpornościowymi bakterii, są wciąż młodą dziedziną, chociaż cieszą się powszechnym zainteresowaniem ze względu na zastosowania związane z edycją genów i niedawną Nagrodę Nobla, którą otrzymali Jennifer Doudna i Emmanuel Charpentier. Jackson i Hallmark należą do badaczy na całym świecie, którzy rozszyfrowują podstawową strukturę tych systemów i to, co je napędza.
„Odkrycia przedstawione w naszych dwóch artykułach w Nature były przygotowywane przez prawie sześć lat”, mówi Jackson.
Zidentyfikowany jako odrębny system immunologiczny w ciągu ostatnich pięciu lat, Cas12a2 klasy 2, typu V jest nieco podobny do bardziej znanego CRISPR-Cas9, który wiąże się z docelowym DNA i tnie je – jak molekularne nożyczki – skutecznie wyłączając docelowy gen. Ale CRISPR-Cas12a2 wiąże się z innym celem niż Cas9 i to wiązanie ma zupełnie inny efekt.
„Białko Cas12a2 po związaniu się z RNA ulega poważnym zmianom konformacyjnym, które otwierają aktywne miejsce do niszczenia DNA” – mówi Jackson. „Cas12a2 niszczy DNA i RNA w komórkach docelowych, powodując ich starzenie się”.
Za pomocą mikroskopii krioelektronowej lub „krioEM” zespół z USU zademonstrował ten unikalny aspekt CRISPR-Cas12a2, w tym jego degradację jednoniciowego RNA, jednoniciowego DNA i dwuniciowego DNA, co skutkuje naturalnie występującą strategią obronną zwaną infekcją poronną.
„Zakażenie poronne jest naturalną strategią odporności fagowej, stosowaną przez bakterie i archaidy w celu ograniczenia rozprzestrzeniania się wirusów i innych patogenów” – mówi Hallmark, doktorantka trzeciego roku. „Na przykład, zakażenie poronne zapobiega replikacji elementów wirusowych, które zainfekowały komórkę”.
Jackson mówi, że zespół uchwycił strukturę Cas12a2 w trakcie cięcia dwuniciowego DNA.
„Niewiarygodne jest to, że nukleaza Cas12a2 wygina zazwyczaj prosty kawałek dwuniciowego DNA o 90 stopni, aby zmusić szkielet helisy do wejścia do aktywnego miejsca enzymatycznego, gdzie zostaje on przecięty”, mówi. „Jest to niezwykła zmiana struktury, którą można zaobserwować – zjawisko, które wywołuje słyszalne sapanie u kolegów naukowców”.
Jackson mówi, że różnica między zdrową komórką a komórką złośliwą lub zakażoną jest genetyczna.
„Gdyby udało się wykorzystać Cas12a2 do identyfikacji, namierzania i niszczenia komórek na poziomie genetycznym, potencjalne zastosowania terapeutyczne byłyby znaczące”, mówi.
Ponadto możliwości diagnostyczne RNA Cas12a2, opisane w zestawie prac, mogłyby przyspieszyć działania mające na celu powstrzymanie skutków wielu chorób genetycznych.
„Jesteśmy dopiero na etapie zarysowywania powierzchni, ale uważamy, że Cas12a2 może doprowadzić do udoskonalenia i rozwoju dodatkowych technologii CRISPR, które przyniosą ogromne korzyści społeczeństwu” – mówi Jackson.