CRISPR – sugrupuoti reguliariai tarpais išdėstyti trumpi palindrominiai pasikartojimai – yra mikrobų pasaulio atsakas į prisitaikantį imunitetą. Bakterijos negeneruoja antikūnų, kai jas užpuola patogenai, o tada blokuoja tuos antikūnus, jei vėl susiduria su tuo pačiu patogenu, kaip ir mes. Vietoj to, jie integruoja dalį patogeno DNR į savo genomą ir prijungia ją prie fermento, kurį panaudodami gali atpažinti patogeno DNR seką ir supjaustyti ją į gabalus, jei patogenas vėl atsirastų.

Fermentas, kuris pjausto, vadinamas Cas (CRISPR). Nors CRISPR-Cas sistema išsivystė kaip bakterijų gynybos mechanizmas, mokslininkai ją panaudojo ir pritaikė kaip galingą genetinės manipuliacijos įrankį atliekant laboratorinius tyrimus. Jis taip pat įrodė savo naudojimą žemės ūkyje, o Jungtinėje Karalystėje buvo patvirtintas pirmasis CRISPR gydymas, skirtas gydyti pjautuvinę ligą ir nuo transfuzijos priklausomą beta talasemiją.

Dabar mokslininkai sukūrė naują būdą ieškoti genomų CRISPR-Cas tipo sistemoms. Jie atrado, kad galime turėti daug papildomų įrankių, su kuriais galime dirbti.

DNR modifikacija

Iki šiol skirtinguose mikrobuose buvo nustatyti šeši CRISPR-Cas sistemų tipai. Nors jie skiriasi detalėmis, jie visi turi tą patį patrauklumą: jie tiekia baltymus į konkrečią genetinės medžiagos seką, kurios specifiškumas iki šiol buvo techniškai sudėtingas, brangus ir reikalaujantis daug laiko. Bet kuri dominanti DNR seka sistemoje gali būti užprogramuota ir nukreipta.

Natūralios mikrobų sistemos paprastai atneša egzonukleazę – fermentą, kuris skaido DNR – į seką, susmulkindamos patogenų genetinę medžiagą. Šis gebėjimas gali būti naudojamas iškirpti bet kurią pasirinktą DNR seką genų redagavimui; Kartu su fermentais ir (arba) kitomis DNR sekomis jis gali būti naudojamas įterpti arba ištrinti papildomas trumpas sekas ir koreguoti mutantinius genus. Kai kurios CRISPR-Cas sistemos supjausto specifines RNR molekules, o ne DNR. Jie gali būti naudojami ligą sukeliančiai RNR, pvz., kai kurių virusų genomams, pašalinti taip, kaip jie pašalinami iš vietinių bakterijų. Tai taip pat gali būti naudojama RNR apdorojimo defektams gelbėti.

Tačiau yra daug papildomų būdų modifikuoti nukleino rūgštis, kurie gali būti naudingi. Klausimas, ar atsirado papildomų modifikacijų darantys fermentai, yra atviras. Taigi kai kurie tyrinėtojai nusprendė jų ieškoti.

MIT mokslininkai sukūrė naują įrankį CRISPR matricų variantų aptikimui ir pritaikė jį 8,8 tera (1012) bazinių porų prokariotų genominės informacijos. Daugelis jų rastų sistemų yra retos ir duomenų rinkinyje pasirodė tik per pastaruosius 10 metų, o tai pabrėžia, kaip svarbu ir toliau į šias duomenų saugyklas įtraukti aplinkos pavyzdžių, kuriuos anksčiau buvo sunku gauti.

Naujas įrankis buvo reikalingas, nes baltymų ir nukleorūgščių sekų duomenų bazės plečiasi juokingai, todėl reikia neatsilikti nuo visų šių duomenų analizės metodų. Kai kurie algoritmai, naudojami joms analizuoti, bando palyginti kiekvieną seką su kiekviena kita seka, o tai akivaizdžiai nepagrįsta, kai kalbama apie milijardus genų. Kiti remiasi klasterizavimu, bet randa tik labai panašius genus, todėl negali atskleisti evoliucinių santykių tarp tolimų susijusių baltymų. Tačiau greitas, vietai jautrus grotažymėmis pagrįstas klasterizavimas („flash“ surinkimas) veikia sugrupuodamas milijardus baltymų į mažesnius ir didesnius sekų rinkinius, kurie skiriasi tik šiek tiek, kad būtų galima nustatyti naujus ir retus giminaičius.

Atlikus paiešką naudojant FLSHclust, pavyko išgauti 188 naujas CRISPR-Cas sistemas.

Daug CRISPyness

Kai kurios temos išryškėjo iš darbo. Viena iš jų yra tai, kad kai kurios naujai identifikuotos CRISPR sistemos naudoja Cas fermentus su domenais, kurių anksčiau nebuvo matyti, arba atrodo, kad tai yra susiliejimas su žinomais genais. Mokslininkai taip pat apibūdino kai kuriuos iš šių fermentų ir nustatė, kad vienas yra specifiškesnis nei šiuo metu naudojami CRISPR fermentai, o kitas pjauna RNR, kurią jie siūlo, struktūriškai pakankamai skirtingą, kad būtų įtraukta visiškai nauja 7 tipo CRISPR-Cas sistema.

Šios temos pasekmė yra skirtingų funkcijų fermentų, ne tik nukleazių (fermentų, kurie supjausto DNR ir RNR), susiejimas su CRISPR matricomis. Mokslininkai išnaudojo nepaprastą CRISPR gebėjimą nukreipti genus, prijungdami jį prie kitų tipų fermentų ir molekulių, tokių kaip fluorescenciniai dažai. Bet matyt evoliucija ten pateko pirmiausia.

Pavyzdžiui, FLSHclust nustatė tai, kas vadinama transpozaze, kuri yra susijusi su dviejų skirtingų tipų CRISPR sistemomis. Transpozazė yra fermentas, padedantis perkelti tam tikrą DNR dalį į kitą genomo dalį. CRISPR RNR nukreipta transformacija buvo pastebėta anksčiau, tačiau tai yra dar vienas jos pavyzdys. Su CRISPR matricomis buvo rasta daugybė skirtingų funkcijų turinčių baltymų, tokių kaip baltymai su transmembraniniais domenais ir signalinėmis molekulėmis, o tai pabrėžia šių sistemų evoliucijos maišymo ir suderinimo pobūdį. Jie netgi rado viruso ekspresuojamą baltymą, kuris jungiasi prie CRISPR matricų ir daro jas neaktyvias, o virusas iš esmės išjungia CRISPR sistemą, kuri buvo sukurta siekiant apsaugoti nuo virusų.

Tyrėjai ne tik rado naujų baltymų, susijusių su CRISPR matricomis, bet ir kitų reguliariai išdėstytų pasikartojančių matricų, kurios nebuvo susijusios su jokiais Cas fermentais, panašiai kaip CRISPR, bet ne CRISPR. Jie nėra tikri dėl šių RNR valdomų sistemų veikimo, tačiau spėja, kad jos dalyvauja gynyboje, kaip ir CRISPR.

Autoriai nusprendė rasti „RNR valdomų baltymų sąrašą, kuris praplečia mūsų supratimą apie šių sistemų biologiją ir evoliuciją ir yra atspirties taškas naujų biotechnologijų kūrimui”. Ir atrodo, kad jie pasiekė savo tikslą: „Šio darbo rezultatai atskleidžia precedento neturintį CRISPR sistemų reguliavimo ir funkcinį lankstumą ir moduliškumą“, – rašo jie. Toliau daro išvadą: „Tai tik nedidelė dalis atrastų sistemų, bet jis pabrėžia nepanaudotą Žemės biologinės įvairovės potencialo platumą.

Straipsnis DOI: 10.1126/science.adi1910