Эволюционная иммунология. Защитные системы прокариот

1. Эволюционная иммунология лекция 2 «Защитные системы прокариот»

Е.С. Шилов
19 февраля 2018 г.

2. Зачем вообще изучать защитные системы микробов?

«We observed a significant decrease in the ability of the cas9 mutant to
adhere to, invade and replicate in human epithelial cells, leading to an
overall defect in survival, indicating that Cas9 plays an important role in
N. meningitidis pathogenesis. Additionally, a recent study identified
Campylobacter jejuni Cas9 as critical for interactions with host cells23.
Bioinformatic analysis predicted that N. meningitidis, C. Jejuni and other
pathogens may encode a scaRNA, which is critical for Cas9 targeting of
endogenous mRNA. Together, these results clearly show that Cas9
controls virulence traits of several bacteria.»

3. Фаги регулируют микробиоту кишечника

4. Фаги как маркер (или причина) дисбиоза

5.

Система CRISPR (clustered regularly interspaced short
palindromic repeats) – Cas (Cass)

6.

Система CRISPR-Cas защищает
бактерий от бактериофагов
2. Со всего, что находится в CRISPR,
синтезируются специальные РНК,
постоянно
проверяющие,
не
комплементарны ли они какойнибудь ДНК, попавшей в бактерию.
1. ДНК бактериофага нарезается
специальными Cas-белками бактерии на маленькие фрагменты.
Они добавляются в определенный участок генома бактерии,
который называется CRISPR.
Если бактерия не погибает, то
она таким образом «запоминает»
часть генома вируса.
3. Если совпадение найдено, значит в
бактерию попала ДНК такого же вируса,
как и раньше. Его «вспоминают» и
уничтожают другие Cas-белки.

7. Характеристики системы CRISPR

• Присуща практически всем археям и половине бактерий
• CRISPR-кассета состоит из одинаковых повторов и
различающихся спейсеров, причём повторы не являются
консервативными, однако часто начинаются на 5`-GTTTC и
заканчиваются на GAAAC-3`
• По соседству с CRISPR-кассетой находится оперон casгенов
• Среди продуктов cas-генов выделяются 6 основных и
множество вспомогательных белков (RAMP)
• В одном геноме может быть до 18 CRISPR-кассет
• В одной CRISPR-кассете может быть до 375 спейсеров
• Повторы варьируют в размере в диапазоне 23 – 47 п.н.,
спейсеры – 21 – 72 п.н.

8.

Предполагалось, что CRISPR-Cas действует по
схожему с РНК-интерференцией механизму…
… и она действительно может быть направлена против РНК, однако
основной ее мишенью является двунитевая ДНК

9. Принципиальная структура CRISPR

10. Открытие CRISPR

Yoshizumi Ishino
Ishino, Y., et al. (1987). Nucleotide sequence of
the iap gene, responsible for alkaline phosphatase
isozyme conversion in Escherichia coli, and
identification of the gene product. J. Bacteriol.
169, 5429–5433.
Francisco Mojica
Mojica, F.J.M et al. (1993). Transcription at
different salinities of Haloferax mediterranei
sequences adjacent to partially modified PstI
sites. Mol. Microbiol. 9, 613–621.

11. Принцип сполиготипирования

12. История открытия функции CRISPR

DANISCO
Родольф
Баррангу
Филипп
Хорват

13. Разнообразие спейсеров и приобретение новых

РАМ – нуклеотидный мотив,
который позволяет использовать часть чужеродной ДНК в
качестве пригодной для
создания нового спейсера

14. Примеры некоторых proto-spacer adjacent motifs (РАМ)

15. Cas-белки и их функции

16. Классификация систем на основе CRISPR

Евгений Кунин
Кира Макарова

17. Классификация вариантов CISPR-Cas

18. Новая классификация CISPR-Cas (2015 г.)

19.

20. Cascade Csm

21. Процессинг РНК в системе CRISPR I типа

22. Процессинг РНК в системе CRISPR II типа

23.

Система II типа
Система I типа

24. Почему нет атаки на саму CRISPR-кассету?

Критическим является
строгое Уотсон-Криковское
связывание -2 – -4
нуклеотида к 5`-концу от
спейсера. Если оно есть,
значит «ДНК-мишень» - своя,
и расщеплять её нельзя

25. Атака ДНК-мишени возможна и в случае неполного соответствия спейсера и протоспейсера.

Критическим является связывание 5`-конца спейсера

26. Распространенность CRISPR-Cas

27. Эволюция систем CRISPR-Cas

28. Применение Cas9 для редактирования генома

Jennifer Doudna
Emmanuelle
Charpentier
Feng Zhang

29. Редактирование геномов эукариот при помощи CRISPR-Cas9

30. Химерная РНК, совмещающая элементы crРНК и tracrРНК

Martin Jinek

31. Белок Cas9 и химерная tracr-crРНК способны эффективно редактировать любые геномы

32. CRISPR – история открытия (резюме)

33.

34. Где уже применили Cas9?

Cas9
2185
1529
739
329
1
1
1
3
3
85

35.

36. «Ножницы для генома» не гарантируют его адекватное сшивание после разрезания

37. Трансгенные мыши, получаемые с использованием Cas9

Masahito Ikawa

38. MCR – mutagenic chain reaction

39. Этическая сторона вопроса

40. Cpf1 – альтернатива Cas9

Особенность
Cas9
Cpf1
Гидовые РНК
Нужны 2 РНК (crRNA +
tracrRNA) или 1 gRNA
Одна crRNA
Разрез имеет…
Тупые концы
Липкие концы
Сайт разрезание
До сайта узнавания
После сайта узнавания
РАМ
G-богатый PAM
T-богатый PAM
Лучше работает в…
Быстро делящихся клетках
Не делящихся клетках

41. Анти-CRISPR системы

42. Механизмы работ анти-CRISPR систем

43. CRISPR-Cas может быть направлена и против фагов с РНК-геномом (VI тип)

Leptotrichia
shahii

44. Успешная кооперация защитных систем

45. Отсутствие кооперации защитных систем

46. Судьба древних прокариотических защитных систем и происхождение эукариот

47.

• Следующая лекция 26 февраля – об
иммунитете растений, грибов и протистов