Представим себе бактериальную ДНК как длинную улицу. Идя по ней, мы в какой-то момент окажемся в очень необычном квартале. Сначала мы встретим высокое здание, за которым стоит другое, похожее на первое, как его зеркальное отражение. Между ними будет тянуться садик. Далее мы встретим еще одно высокое здание, чуть иного вида и за ним опять его зеркальное отражение, и между ними опять садик, хотя с другими цветами. Так эти пары зеркально отраженных зданий с садиками между ними будут тянуться вдоль улицы, пока за последним таким повтором не пойдет череда низких домов с установленными на их плоских крышах зенитными орудиями — на каждой крыше орудия своего вида. Затем начнется второй такой же квартал — со своими зеркальными парами домов, разделяющими их садиками и примыкающими к ним зенитными орудиями. Эти кварталы будут тянуться вдоль «улицы ДНК» довольно долго, лишь потом пойдут обычные жилые кварталы, занимающие основную длину улицы (это участки ДНК, предназначенные обслуживать жизнедеятельность бактерии). Вот эти-то особые кварталы в их совокупности и представляют собой иммунную систему бактерий — или CRISPR. Зеркальные пары домов — вышеназванные «палиндромы» садики между ними — элементы системы распознавания вторгающихся в бактерию «врагов»-бактериофагов; дома с зенитными орудиями элементы системы наведения и уничтожения.
В переводе на биологический язык «дома с орудиями» — это некие специфические гены (они называются cas), по инструкциям которых строятся «снаряды», т. е. белки генов cas. Эти белки называются нуклеазы. Их особенность в том, что они способны резать молекулы ДНК. Поскольку ДНК любой клетки время от времени портится и ее нужно «чинить», а для этого иногда разрезать в том или в ином месте, чтобы вставить «заплату», то нуклеазы как раз этим обычно и занимаются в клетке. Поэтому, когда вся эта система «домов, садов и орудий» была впервые открыта (в ДНК кишечной палочки, в 1987 году), исследователи решили было, что это особая система «ремонта» у бактерий. Но оказалось, что она предназначена совсем для другого.
В 2005 году появилось сразу несколько работ, которые показали, что «садики» между зданиями бактериальной ДНК — это чужаки. Они пришли сюда извне. И было даже выяснено, откуда именно. Оказалось, что расположение «цветов» в каждом таком «садике» повторяет какой-то участок ДНК того или иного бактериофага. Иными словами, эти «садики» (в науке они называются спейсеры, т. е. промежутки) — нечто вроде визитных карточек, которые оставлял каждый проникший в бактерию бактериофаг. Легко понять, что с помощью этих визитных карточек бактерия может распознать тот или иной бактериофаг, если он заявится снова. Вот почему выше я назвал спейсеры системой распознавания врага.
Но распознать врага мало — нужно его и уничтожить. Именно этим, как выяснили дальнейшие исследования, занимаются в бактериальной иммунной системе гены cas («зенитные орудия»), примыкающие, как мы помним, к кварталу «зданий» и «садиков» («палиндромов» и спейсеров). Как только в бактерию входит ДНК напавшего на нее бактериофага, активизируется сразу весь тот кусок бактериальной ДНК, который занят ее иммунной системой. Каждый «квартал» строит свою ДНК. Активизируются и гены cas, и по указке каждого из них производится своя нуклеаза (свой «снаряд»). Эти нуклеазы разрезают все инф-РНК на мелкие кусочки, которые этаким «залпом тысячи орудий» несутся к вторгшейся фаговой ДНК. Среди этих «снарядов» есть также «снарядики» от всех спейсеров. Если вторгшийся фаг уже оставлял в бактерии свой спейсер, то среди летящих на него мелких инф-РНК найдется и та, которая сделана по этой его визитной карточке.
Она распознает свой участочек фаговой ДНК, приклеится к нему и станет наводчиком для летящих вслед за этими «снарядиками инф-РНК» тяжелыми «снарядами» нуклеаз, а уж они порежут фаговую ДНК на безвредные кусочки. Если же фаг новый и визитной карточки (спейсера) на него нет, то нуклеазы будут бороться с фаговой ДНК без наводчика. Иногда им удается даже в этом случае самим разрезать его на мельчайшие кусочки, Тогда один из этих кусочков внедряется в иммунную систему бактерии в качестве новой визитной карточки, нового «садика», причем, как показали исследования, на самое первое место, и система приобретает память об этом новом враге. При этом все остальные «садики» сдвигаются на одно место, а последний вообще вылетает, то есть взамен система «забывает» самого давнего врага.
Так работает этот поразительный механизм иммунной защиты бактерий. Некоторые его детали удивляют своей продуманностью: например, каждый новая визитная карточка встраивается именно на первое место по той причине, что это место производит больше всего молекул инф-РНК, то есть вероятность распознать владельца этой визитной карточки будет больше всего. Иными словами, бактерия вырабатывает себе наибольший иммунитет против того фага, чья ДНК вошла в бактерию последней, то есть более активно защищает себя от угрозы недавней, чем от угрозы давней. Однако, с другой стороны, встраивание каждой новой визитной карточки ведет, как мы видели, к вытеснению каждой последней — значит, бактерия непрерывно «забывает» уроки давних встреч с фагами или вирусами, ее память построена на принципе «новое вытесняет старое». Правда, это компенсируется тем, что запас мест в системе CRISPR гигантский.
Геномный анализ, проведенный Евгением Куниным и его группой российских ученых-эмигрантов в США, показал, что у многих бактерий в этой системе имеются спейсеры, состав которых не соответствует ни одному из известных сегодня бактериофагов или вирусов — возможно, это следы очень древних встреч. А та работа Зонтхаймера и Маррафини, с которой мы начали и которую теперь уже можем объяснить, показала, что система CRISPR различает свое и чужое благодаря тому простому факту, что чужое, то есть фаговая ДНК, сцепляется только с малым фрагментом инф-РНК. Факт такого сцепления как раз и служит опознавательным знаком чужого.
Многое об этой системе вообще еще неизвестно. Например, ученые уже знают, что встраиванием и выбрасыванием спейсеров управляют гены cas (которые для этого разрезают, а потом «штопают» свою ДНК), но механизм этого управления пока неизвестен. Ясно одно — существование системы CRISPR и у бактерий, и архей свидетельствует о то, что этот механизм иммунной (основанной на памяти) защиты от чужого возник уж на самых ранних этапах эволюции и совершенствовался вместе с ней.
Но любопытно, что он направлен не только против фагов, но и против плазмидов. Так называются: кусочки ДНК других бактерий, которые время от времени проникают в данную бактерию. Обмен плазмидами — это эквивалент «секса» у бактерий, с его помощью они зачастую передают друг другу какие-то изменения, произошедшие в их генах, в частности, те, которые дают им резистентность к антибиотикам. Там, где бактерий особенно много, например в больницах, обмен плазмидами идет быстрее и новые виды резистентности распространяютсяособенно быстро. В борьбе с этим явлением система CRISPR оказывает существенную помощь. Искусственно добавив к плазмиду резистентной бактерии какую-нибудь химическую метку, можно сделать его из родственного чужим и спровоцировать CRISPR на его уничтожение — и тогда цепь передачи резистентности оборвется. Первые и успешные шаги в этом направлении уже сделаны — теми же Зонтхаймером и Маррафини, с которых мы начали эту статью.
Михаил ВАРТБУРГ
