Семь лет назад понимание природы вдохновило на создание революционной новой технологии, когда ученые-исследователи превратили систему защиты, используемую бактериями для защиты от вирусов, в инструмент редактирования генов, известный теперь как CRISPR. Но для другого нового редактора генов это понимание отстает от приложений. В течение нескольких лет исследователи адаптируют ретроны — загадочные комплексы ДНК, РНК и белка, обнаруженные в некоторых бактериях, — в потенциально мощный способ изменения геномов одноклеточных организмов. Теперь биология догоняет, поскольку две группы сообщают о доказательствах того, что, как и CRISPR, ретроны являются частью бактериального иммунного арсенала, защищая микробы от вирусов, называемых фагами.

На прошлой неделе в Cell одна команда описала, как конкретный ретрон защищает бактерии, заставляя недавно инфицированные клетки самоуничтожаться, чтобы вирус не мог реплицироваться и распространяться среди других. Документ Cell «впервые конкретно определил естественную функцию ретронов», — говорит Анна Саймон, синтетический биолог из Strand Therapeutics, изучавшая странные особенности бактерий. В другой статье, которая пока появилась только в виде препринта, сообщается о аналогичных результатах.

Новое понимание естественной функции ретронов может стимулировать попытки заставить их работать. Ретроны — «довольно эффективные инструменты для точного и эффективного редактирования генома», — говорит Ротем Сорек, специалист по геномике микробов из Института науки Вейцмана и автор исследования Cell. Но они пока не конкурируют с CRISPR, отчасти потому, что технология еще не создана для работы в клетках млекопитающих.

В 1980-х годах ученые, изучающие почвенные бактерии, были озадачены, обнаружив множество копий коротких последовательностей одноцепочечной ДНК, засоряющих клетки. Тайна углубилась, когда они узнали, что каждый бит ДНК был присоединен к РНК с комплементарной последовательностью оснований. В конце концов они поняли, что фермент, называемый обратной транскриптазой, создал эту ДНК из присоединенной РНК, и что все три молекулы — РНК, ДНК и фермент — образовали комплекс. Подобные конструкции, названные ретронами для обратной транскриптазы, были обнаружены у многих бактерий. «Это действительно замечательные биологические объекты, но никто не знал, для чего они нужны», — говорит Илья Финкельштейн, биофизик из Техасского университета в Остине.

Ротем Сорек натолкнулся на первый намек на их функцию, когда он и его коллеги искали в 38000 бактериальных геномах гены, используемые для борьбы с фагами. Такие гены как правило близки друг к другу и его команда разработала компьютерную программу, которая искала новые системы защиты рядом с генами CRISPR и других известных противовирусных конструкций. Один участок ДНК выделялся аспирантом Вейцмана Ади Миллманом, потому что он включал ген обратной транскриптазы, фланкированный участками ДНК, которые не кодировали какие-либо известные бактериальные белки. Случайно она наткнулась на статью о ретронах и поняла, что таинственные последовательности кодируют один из компонентов их РНК. «Это был нетривиальный скачок», — говорит Сорек.

Затем команда заметила, что ДНК, кодирующая компоненты ретрона, часто сопровождала ген кодирующий белок и белок варьировался от ретрона к ретрону. Команда решила проверить свою догадку о том, что кластер последовательностей представляет собой новую защиту от фага. Далее они показали, что бактериям необходимы все три компонента — обратная транскриптаза, гибрид ДНК-РНК и второй белок — чтобы победить множество вирусов.

Для ретрона под названием Ec48, Сорек и его коллеги показали, что связанный с ним белок обеспечивает решающий удар, находясь на внешней мембране бактерии и изменяя ее проницаемость. Исследователи пришли к выводу, что ретрон каким-то образом «охраняет» другой молекулярный комплекс, который является первой линией противовирусной защиты бактерии. Некоторые фаги деактивируют комплекс, который запускает ретрон, чтобы высвободить разрушающий мембрану белок и убить инфицированную клетку, сообщили Миллман, Сорек и их команда 6 ноября в Cell.

Вторая группа пришла к аналогичным выводам. Под руководством Атанасиоса Типаса, микробиолога из Европейской лаборатории молекулярной биологии (EMBL) в Гейдельберге, группа поняла, что рядом с генами, кодирующими ретрон в бактерии сальмонеллы, находится ген, отвечающий за белок, токсичный для сальмонеллы. Команда обнаружила, что ретрон обычно скрывает токсин, но активирует его в присутствии фаговых белков. Две группы встретились на встрече EMBL летом 2019 года. «Было приятно видеть, насколько взаимодополняющей и сближающей была наша работа», — говорит Типас. В июне команды одновременно разместили препринты о своей работе на сайте bioRxiv.

Еще до этих открытий другие ученые-исследователи воспользовались тогда загадочными свойствами ретронов для разработки новых редакторов генов. CRISPR легко нацеливается и связывается с желаемыми участками генома или разрезает их, но пока он не очень эффективен для введения нового кода в целевую ДНК. Ретроны в сочетании с элементами CRISPR, кажется, могут работать лучше благодаря своим обратным транскриптазам: они могут производить множество копий желаемой последовательности, которые могут быть эффективно встроены в геном хозяина. «Поскольку системы на основе CRISPR и ретроны имеют разные сильные стороны, их объединение является очень многообещающей стратегией», — говорит Саймон.

В 2018 году исследователи из лаборатории Стэнфордского университета Хантера Фрейзера представили базовый редактор на основе ретронов, получивший название CRISPEY (точное параллельное редактирование ретронов через гомологию Cas9). Во-первых, они создали ретроны, РНК которых соответствовала генам дрожжей, но с одним мутированным основанием. Они объединили их с «направляющей РНК» CRISPR, которая базируется на целевой ДНК, и ферментом CAS9, который действует как молекулярные ножницы CRISPR. Как только CAS9 разрезал ДНК, механизмы репарации ДНК клетки заменяли дрожжевой ген ДНК, генерируемой обратной транскриптазой ретрона.

CRISPEY позволил аспиранту Стэнфорда Ши-Ан Андерсону Чену и его коллегам эффективно создать десятки тысяч мутантов дрожжей, каждый из которых отличается только одним основанием. Это позволило им определить, например, какие основания необходимы дрожжам для получения глюкозы. «CRISPEY — это очень круто и чрезвычайно мощно», — говорит Хармит Малик, биолог-эволюционист из Онкологического исследовательского центра Фреда Хатчинсона. В этом году две другие группы — во главе с генетиком Джорджем Черчем из Гарвардского университета и синтетическим биологом Массачусетского технологического института Тимоти Лу — описали подобные подвиги у бактерий в препринтах bioRxiv.

Ученые-исследователи в восторге от ретронов, но предупреждают, что им нужно многое узнать о том, как превратить эти бактериальные мечи в орала. «Возможно, ретроны будут такими же революционными, как CRISPR», — говорит Саймон. «Но пока мы не поймем больше о естественной биологии и синтетическом поведении ретронов, трудно сказать».