VU mokslininkai žurnale „Molecular Cell“ aprašė, kaip veikia CRISPR-Cas „baltymų žirklės“

Vilniaus universiteto Gyvybės mokslų centro (VU GMC) Biotechnologijos instituto mokslininkai dokt. Dalia Smalakytė, Audronė Rukšėnaitė, dr. Giedrius Sasnauskas, dr. Giedrė Tamulaitienė ir dr. Gintautas Tamulaitis nustatė bakterijose randamų CRISPR-Cas "baltymų žirklių" struktūrą ir pasiūlė jų veikimo mechanizmą. Jų darbą aprašantis straipsnis "Filament Formation Activates Protease and Ring Nuclease Activities of CRISPR Lon-SAVED"("CRISPR Lon-SAVED filamento struktūros susiformavimas įjungia proteazės ir žiedo nukleazės aktyvumus") paskelbtas prestižiniame ir aukštu cituojamumo indeksu išsiskiriančiame žurnale "Molecular Cell".

CRISPR-Cas sistemos yra vienas iš bakterijų būdų apsisaugoti nuo virusų. Bakterijose aptinkamos kelių tipų apsauginės CRISPR-Cas sistemos, kurios skiriasi savo sudėtimi ir veikimo mechanizmu. Šiuo metu labiausiai žinomi Cas9 ir Cas12 baltymai, dar vadinami DNR arba genomų "žirklėmis", kurie sukėlė proveržį genomo redagavimo srityje, suteikdami mokslininkams galimybę tiksliai redaguoti genomus ir ištaisyti ligas sukeliančias mutacijas.

Dr. G. Tamulaičio vadovaujama mokslininkų grupė tyrinėja bakterijų apsaugos sistemą CRISPR-Cas10, veikiančią kaip jutiklis, kuris, atpažinęs, kad bakteriją užpuolė virusas, siunčia "žinią" susintetindamas unikalias signalines molekules - ciklinius oligoadenilatus. Šią žinią-molekulę atpažįsta įvairūs pagalbiniai sistemos baltymai efektoriai, sustiprinantys bakterijos apsaugą nuo virusų. Neseniai bioinformatikų atlikta kompiuterinė analizė prognozavo, kad su CRISPR-Cas10 asocijuoti efektoriai gali pasižymėti įvairiais fermentiniais aktyvumais ir todėl bakterijos galėtų apsiginti nuo viruso įvairiais būdais.

"Ciklinių oligoadenilatų atradimas ir CRISPR-Cas10 mechanizmo išaiškinimas sukėlė didelį mokslininkų susidomėjimą ir proveržį signalinio kelio tyrimuose. Vėliau panašus gynybos principas buvo surastas ir kitose bakterijų apsaugos sistemose: CBASS, Pycsar, Thoeris. Šiame darbe mes tyrėme signalinėmis molekulėmis aktyvuojamą CalpL-CalpT-CalpS trinarį efektorių. Išaiškinome, kaip veikia ir kaip reguliuojama ši sudėtinga sistema", - pasakoja dr. G. Tamulaitis.

CalpL-CalpT-CalpS efektorių sudaro CalpL baltymas - signalą atpažįstančios "baltymų žirklės", genų raiškos lygį reguliuojantis baltymas CalpS ir CalpS baltymo slopiklis CalpT. Taikydami biocheminius, biofizikinius, bakterijų gyvybingumo įvertinimo metodus ir kriogeninę elektroninę mikroskopiją (cryo-EM), VU GMC mokslininkai parodė, kad, surišusios viruso infekciją signalizuojančią molekulę, "baltymų žirklės" CalpL suformuoja kintančios sudėties polimerinį "siūlą" - filamentą, su kuriuo gali susirišti CalpT-CalpS kompleksas. Filamento struktūra pozicionuoja "žirklių" aktyvųjį centrą baltymo slopikliui CalpT perkirpti. Po kirpimo iš komplekso atsipalaidavęs CalpS baltymas reguliuoja genų raiškos lygį ląstelėje, užtikrindamas bakterijos apsaugą nuo viruso infekcijos.

Straipsnio autorė D. Smalakytė pažymi, kad CRISPR-Cas "baltymų žirklių" aktyvumas yra griežtai reguliuojamas laiko atžvilgiu. Jos turi vidinį laikmačio mechanizmą, kuris įsijungia vos tik žinios-molekulės yra surišamos į suformuotą filamentą. Šis mechanizmas unikalus, palyginti su kitais panašios sandaros signalą atpažįstančiais baltymais efektoriais.

Naujai atskleistas CRISPR-Cas10 sistemos mechanizmas iliustruoja bakterijų gynybos sistemos kompleksiškumą. Šie tyrimai sukuria prielaidas reguliuojamas CRISPR-Cas "baltymų žirkles" taikyti praktikoje kaip infekcijos molekulinį indikatorių.

"Molecular Cell" yra vienas pagrindinių leidyklos "Cell Press / Elsevier" mokslo žurnalų, kuriame spausdinami išskirtinio mokslinio lygio molekulinės biologijos srities straipsniai.

Šiems tyrimams finansavimą skyrė Lietuvos mokslo taryba (LMTLT) pagal sutartį Nr. S-MIP-22-9 (vadovas dr. G. Tamulaitis).