Forskare upptäcker funktionen av Cas4-protein i CRISPR-Cas-försvar

Genetic Engineering Will Change Everything Forever – CRISPR (Juli 2019).

Anonim

Forskare runt om i världen har i allt högre grad använt en bakteriell försvarsmekanism som heter CRISPR-Cas9 som ett verktyg för att kirurgiskt redigera DNA i levande celler. Denna nya teknik har gjort genredigering mycket enklare och mer exakt. Men hur dessa system fungerar i naturen är fortfarande inte helt förstådda. Forskare vid Delfts tekniska högskola har nu bestämt rollen som ett av proteinerna som är involverade i många CRISPR-system, nämligen Cas4. Som det visar sig, hjälper detta protein till minnen av invaderande viruselement så att bakteriecellen skyddas mot virusinfektion. Virusminnen som erhållits med Cas4 hjälper cellen att hitta och förstöra det invaderande viruset tillräckligt snabbt för att överleva. Upptäckten är ett annat viktigt steg mot en fullständig förståelse av CRISPR-system.

Det är omöjligt för ett mänskligt öga att se, men virus och bakterier är i krig mot varandra. Varje dag dödar små virusliknande partiklar som kallas bakteriofager ungefär en tredjedel av bakterierna i jordens oceaner. "Sådana virus injicerar deras DNA eller RNA i en bakteriecell för att försöka ta kontroll över det, " förklarar doktor Stan Brouns från Delft University of Technology. "Om denna kapning lyckas, kan viruset använda bakterien som en liten fabrik som producerar kopior av sig själv."

Genetiskt minne

Som en motvirkning mot virus har evolutionen utrustade bakterier med försvarsmekanismer som CRISPR-Cas9, som har förmågan att skära viralt DNA och därigenom neutralisera hotet. Innan detta kan hända, måste en bakterie ha ett genetiskt minne om ett virus. Det måste känna igen viruset som ett hot.

Sådana minnen bildas som en bakterie griper ut fragment av virusens DNA och sätter dem in i sin egen genetiska kod. Om samma typ av virus attackerar bakterien igen, känner cellen igen invaderaren och skickar ett skärprotein som Cas9. Med hjälp av RNA-kopior av virala fragmenten som ett slags "fuskark" börjar proteinet jaga och förstöra viruset och håller bakterien säker.

Virus DNA-fragment

Forskare visste redan att flera proteiner är involverade i varje CRISPR-system. Hittills har dock proteinet, som kallas Cas4, varit oklart. "Vi visste att det måste vara viktigt, men eftersom proteinet är närvarande i de flesta CRISPR-system, säger Ph.D. kandidat Sebastian Kieper, som ledde projektet med Cristóbal Almendros.

För att ta reda på vad Cas4 faktiskt gör introducerade forskarna Cas4-genen i E. coli-celler som innehåller de viktigaste CRISPR-minnesbildande maskinerna. I andra celler introducerade de inte denna gen. Brouns: "Vi fick reda på att bakterien fortfarande bildade minnen av en invaderare i frånvaron av Cas4, men att dessa minnen inte gav skydd." Med andra ord, endast när Cas4 var närvarande, sattes fragment av invaderande DNA i genomet hos bakterien som faktiskt gav virusresistens mot bakteriecellen.

Funktionella minnen

Ytterligare studier avslöjade varför bakterier inte kan använda de minnen de bildar utan att använda Cas4. Detta hade att göra med PAM (Protospacer Adjacent Motifs), korta DNA-sekvenser bestående av ett litet antal baspar som fungerar som en kännetecknad för proteiner som Cas9. "Den som gör genomredigering med Cas9 kommer att veta att att välja en PAM är avgörande för experimentets framgång, säger Brouns.

Bakterier står inför samma problem. "När man väljer ett DNA-parti som ska införas i bakteriegenomet som ett minne, måste ett CRISPR-system välja en sekvens som flankeras av en PAM, " förklarar Brouns. "A Cas-protein kommer att använda PAM-sekvensen för att hitta sitt mål. Det kommer inte att riktas mot DNA-sekvenser som inte flankeras av en PAM." Således fungerar PAM också som skydd, vilket hindrar Cas-proteiner från att skära en bakteries egna DNA.

Cas4s roll är att se till att endast sekvenser som flankeras av en PAM sätts in i en bakteries DNA. Detta leder till funktionella minnen som faktiskt kan användas när viruset igen försöker attackera bakterien.

Forskarna tittar nu på hur denna process fungerar, och hur detta resultat kan utnyttjas. Kanske kan adaptiv immunitet introduceras i andra organismer än mikrober som inte naturligt har ett CRISPR-försvarssystem.

menu
menu