Anti-CRISPR

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 14. november 2018; verifikation kræver 1 redigering .

Anti-CRISPR ( engelsk  Anti-CRISPR ) er et proteinsystem , takket være hvilket bakteriofager (både bakterier og archaea ) modstår den destruktive virkning af CRISPR /Cas-systemer. Anti-CRISPR-systemer er blevet beskrevet i mange bakteriofager. Proteinerne i disse systemer forstyrrer i de fleste tilfælde processen med målgenkendelse og Cas-proteinernes arbejde. Anti-CRISPR-systemer kan være af bioteknologisk betydning, da de kan bruges til at finjustere genomredigering ved hjælp af CRISPR/ Cas9-teknologi .

Studiehistorie

Før opdagelsen af ​​anti-CRISPR var den eneste kendte måde, hvorpå fager undgår at blive ødelagt af CRISPR/Cas-systemet, ved at erhverve punktmutationer . De påvirker praktisk talt ikke fagens levedygtighed, men de forstyrrer komplementariteten af ​​parringen af ​​fag- DNA med guide-RNA'et , på grund af hvilket CRISPR/Cas-systemet ikke kan genkende det virale genetiske materiale . Imidlertid finder mikroorganismer hurtigt en måde at omgå denne beskyttelse ved at indsætte nye fragmenter af fremmed DNA i deres genom . De første anti-CRISPR-proteiner blev opdaget i 2013 i flere beslægtede fager, der angriber bakterien Pseudomonas aeruginosa . Teoretisk set, hvis en fag integreres i genomet af en bakterie, der har et aktivt CRISPR/Cas-system, vil bakterien dø, fordi den skærer sit eget genom. Imidlertid førte indsættelsen af ​​nogle fager i genomet af bakterier med aktiv CRISPR/Cas ikke til celledød. Når man sammenlignede genomerne fra fager, der forårsager bakteriecellers død, og fager, der ikke fører til celledød, viste det sig, at sidstnævnte har et særligt locus , der indeholder ti helt forskellige og meget korte gener (150-450 nukleotider lange ). Det viste sig, at proteinprodukterne fra fem af dem (acrF1-acrF5) forstyrrer IF-type CRISPR/Cas-systemet i P. aeruginosa , og yderligere fire (acrE1-acrE4) blokerer IE-typen i den samme bakterie. Anti-CRISPR-gener er blevet identificeret ikke kun i P. aeruginosa -fager , men også i plasmider og konjugative øer af denne bakterie [1] .

Aminosyresekvenserne af anti-CRISPR-proteiner varierer meget og mangler ethvert fælles motiv , der ville hjælpe med at identificere lignende gener i genomerne af andre bakteriofager ved hjælp af standard bioinformatiske metoder . Det viste sig dog, at miljøet for anti-CRISPR-gener er meget ens: efter selve anti-CRISPR-generne har de alle et gen, der koder for transkriptionsfaktoren Aca1 ( anti-CRISPR-associeret 1 ) [1] .  Fager, der mangler anti-CRISPR-gener , mangler også aca1 -genet . Desuden danner anti-CRISPR-generne og aca1 -genet en enkelt operon , og Aca1-proteinet ser ud til at regulere anti-CRISPR- ekspression i henhold til stadiet af faginfektionscyklussen . Aca1-proteinet har et helix-turn-helix strukturelt motiv , som ofte findes blandt transkriptionsfaktorer. For at fastslå, om den undersøgte region af bakteriofaggenomet koder for anti-CRISPR-proteiner, tjekkede forskerne for tilstedeværelsen umiddelbart efter det af et gen, der koder for et protein med "helix-turn-helix"-motivet. Ved at bruge denne tilgang er anti-CRISPR-proteiner, der virker mod type I-systemer, blevet opdaget i bakteriofager af en række forskellige proteobakterier . Den samme tilgang førte til opdagelsen af ​​anti-CRISPR-forstyrrende Type II-systemer [1] [2] .

For nylig er der oprettet en database med anti-CRISPR-proteiner, antiCRISPRdb, hvor alle kan finde kendt information om et anti-CRISPR-protein af interesse [3] .

Virkningsmekanisme

I dag kendes 22 familier af anti-CRISPR- proteiner . De er kun forenet af deres lille størrelse (fra 50 til 150 aminosyrerester), de har ikke noget fælles motiv, og ingen af ​​dem ligner noget protein med en kendt funktion. Derfor viste det sig at være umuligt at foreslå virkningsmekanismen for anti-CRISPR ved hjælp af bioinformatik. Hidtil har det været muligt at etablere virkningsmekanismen for seks anti-CRISPR-proteiner ved hjælp af genetiske , biokemiske og strukturelle tilgange. Teoretisk set kan anti-CRISPR-proteiner påvirke driften af ​​CRISPR/Cas på flere stadier [1] . De kan:

I øjeblikket er virkningen af ​​anti-CRISPR-proteiner i de sidste to scenarier blevet beskrevet. For eksempel binder AcrF1- og AcrF2-proteiner til komplekset af Cas-proteiner og RNA, hvilket forhindrer det i at binde til fremmed DNA. AcrF3-proteinet interagerer med Cas3-proteinet, som har helicase- og nukleaseaktiviteter , og forhindrer det i at slutte sig til komplekset af andre Cas-proteiner og RNA, der allerede har bundet mål-DNA'et. AcrIIC1 binder til nukleasedomænet af Cas9-proteinet (det eneste Cas-protein i type II-systemer), hvilket forhindrer det i at skære DNA [1] .

Nogle anti-CRISPR-proteiner er aktive mod flere CRISPR/Cas-systemer. For eksempel undertrykker anti-CRISPR-proteiner, der virker mod type II-A-systemer funktionen af ​​homologe Cas9-proteiner, hvis aminosyresekvenser kun er 53 % ens [1] [2] .

Evolutionær betydning

Nylige undersøgelser har vist, at punktmutationer alene ikke er nok til, at bakteriofager kan undslippe virkningen af ​​CRISPR/Cas. Fagen skal have mindst ét ​​anti-CRISPR-gen for at undgå at blive fuldstændig dræbt, når den dyrkes sammen med bakterier med aktive CRISPR/Cas-systemer. Tilsyneladende bidrager sådan en stærk selektion til mangfoldigheden af ​​aminosyresekvenser og virkningsmekanismer af anti-CRISPR. Anti-CRISPR-proteiner tjener som vigtige faktorer i udviklingen af ​​mikroorganismer. Således fører indsættelsen af ​​mobile genetiske elementer med generne af sådanne proteiner i bakteriegenomet til permanent inaktivering af CRISPR/Cas-systemerne på grund af den stabile ekspression af anti-CRISPR. En celle i denne tilstand kan ikke modstå indtrængen af ​​andre transponerbare genetiske elementer og derfor horisontal genoverførsel . Ved langvarig inaktivering af CRISPR/Cas kan en bakterie helt miste cas -generne eller akkumulere mutationer , der gør dem ikke-funktionelle. Bioinformatisk analyse af forskellige bakteriers CRISPR/Cas-systemer viste, at omkring 12 % af dem er ikke-funktionelle på grund af tab af cas -gener eller skadelige mutationer i dem. Det er eksperimentelt blevet påvist, at under forhold, hvor erhvervelsen af ​​fremmed DNA er gavnlig, kan bakterier fuldstændigt miste CRISPR/Cas-systemet [2] .

Bioteknologisk betydning

I øjeblikket kendes anti-CRISPR-proteiner, som undertrykker aktiviteten af ​​Cas9 af bakterien Streptococcus pyogenes (dette enzym bruges oftest til redigering af genomer ved hjælp af CRISPR/Cas-systemer). Hvad mere er, to af dem gør det i menneskelige celler , hvilket blokerer genomredigering. Derfor kan anti-CRISPR-proteiner regulere genomredigering af CRISPR/Cas, for eksempel ved kun at efterlade systemet aktivt i visse væv og organer , kun på bestemte stadier af embryonal udvikling eller kun på bestemte tidspunkter af cellecyklussen . Derudover vil brugen af ​​anti-CRISPR hjælpe med at reducere hyppigheden af ​​ikke-planlagte mutationer introduceret af Cas9. Normalt er Cas9 aktiv, indtil cellen ødelægger enten enzymet eller guide-RNA'et, og en for lang periode med Cas9-aktivitet resulterer ofte i mutationer uden for målgenet. Mange humane bakterielle patogener har aktive CRISPR/Cas-systemer, og brugen af ​​anti-CRISPR-proteiner kan øge effektiviteten af ​​fagterapi betydeligt . Således kan anti-CRISPR-proteiner finde bred anvendelse inden for bioteknologi, genteknologi og medicin i fremtiden [1] .

Noter

  1. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Maxwell Karen L. Anti-CRISPR-historien: En kamp om overlevelse  //  Molecular Cell. - 2017. - Oktober ( bind 68 , nr. 1 ). - S. 8-14 . — ISSN 1097-2765 . - doi : 10.1016/j.molcel.2017.09.002 .
  2. ↑ 1 2 3 Pawluk April , Davidson Alan R. , Maxwell Karen L. Anti-CRISPR: opdagelse, mekanisme og funktion  //  Nature Reviews Microbiology. - 2017. - 24. oktober ( bind 16 , nr. 1 ). - S. 12-17 . — ISSN 1740-1526 . - doi : 10.1038/nrmicro.2017.120 .
  3. Dong Chuan , Hao Ge-Fei , Hua Hong-Li , Liu Shuo , Labena Abraham Alemayehu , Chai Guoshi , Huang Jian , Rao Nini , Guo Feng-Biao. Anti-CRISPRdb: en omfattende onlineressource til anti-CRISPR-proteiner  //  Nukleinsyreforskning. - 2017. - 25. september ( bind 46 , nr. D1 ). - P. D393-D398 . — ISSN 0305-1048 . - doi : 10.1093/nar/gkx835 .

Links