نظام كريسبر والدفاع بدائيات النوى

تدافع بدائيات النوى عن نفسها ضد الفيروسات والحمض النووي الغريب من خلال أنظمة تتراوح من التقييد والتعديل إلى المناعة التكيفية لنظام كريسبر-كاس (CRISPR-Cas)، والذي أصبح أيضًا أداة تحويلية لتحرير الجينوم.

Definition

أنظمة الدفاع بدائية النوى هي الآليات الجزيئية التي تتعرف بها البكتيريا والعتائق على العاثيات والعناصر الوراثية الغريبة الأخرى وتحييدها، بما في ذلك أنظمة التقييد والتعديل وأنظمة المناعة التكيفية كريسبر-كاس.

Scope

يغطي هذا الموضوع أنظمة التقييد والتعديل التي تشطر الحمض النووي الغريب مع حماية الحمض النووي الخاص بالخلية؛ وهيكل ووظيفة مصفوفات كريسبر وبروتينات كاس؛ ومراحل المناعة التكيفية القائمة على كريسبر، وهي الاكتساب والتعبير والتدخل؛ والمشهد الأوسع للدفاع المضاد للفيروسات في بدائيات النوى. كما يتناول كيفية تكييف نظام كريسبر-كاس لتحرير الجينوم القابل للبرمجة.

Core questions

• كيف تميز بدائيات النوى الحمض النووي الغريب عن الحمض النووي الخاص بها؟
• كيف يوفر نظام كريسبر-كاس مناعة تكيفية ضد العاثيات؟
• ما هي مراحل مناعة كريسبر؟
• كيف تم إعادة توظيف نظام كريسبر-كاس كأداة لتحرير الجينوم؟

Key concepts

• أنظمة التقييد والتعديل
• مصفوفات كريسبر والفواصل
• بروتينات كاس
• الاكتساب والتعبير والتدخل
• تحرير الجينوم القائم على كريسبر

Key theories

المناعة التكيفية لكريسبر

التكرارات المتجمعة المتخللة بتسلسلات فاصلة مشتقة من غزاة سابقين، جنبًا إلى جنب مع بروتينات كاس المرتبطة بها، تسمح لبدائيات النوى بتسجيل واستهداف الأحماض النووية الغريبة، مما يشكل نظامًا مناعيًا تكيفيًا.

Mechanisms

تستخدم أنظمة التقييد والتعديل إنزيم تقييد لشطر الحمض النووي الغريب غير الممثل (unmethylated) بينما يقوم إنزيم ناقل الميثيل (methyltransferase) بتمييز جينوم المضيف على أنه ذاتي. تلتقط أنظمة كريسبر-كاس شظايا قصيرة من الحمض النووي الغازي كفواصل (spacers) داخل مصفوفة تكرارية؛ يتم نسخ هذه الشظايا ومعالجتها إلى جزيئات الحمض النووي الريبوزي الموجهة (guide RNAs) التي توجه نوكليازات كاس للتعرف على التسلسلات المطابقة وقطعها عند إعادة الإصابة، مما يوفر دفاعًا قائمًا على الذاكرة.

Clinical relevance

بالإضافة إلى دورها الطبيعي في الدفاع الميكروبي، أصبحت إنزيمات التقييد أدوات أساسية لتقنية الحمض النووي المؤتلف (recombinant DNA)، وتم تكييف أنظمة كريسبر-كاس لتصبح منصات تحرير جينومي واسعة الاستخدام مع تطبيقات واسعة النطاق في جميع مجالات علوم الحياة.

History

اكتُشفت إنزيمات التقييد في منتصف القرن العشرين وأصبحت أدوات أساسية للاستنساخ الجزيئي. لوحظت التكرارات المتجمعة في الجينومات البكتيرية وسُميت كريسبر في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، وكشفت الأعمال اللاحقة عن دورها في المناعة التكيفية، مما أدى إلى تطوير تحرير الجينوم باستخدام كريسبر-كاس.

Key figures

• Werner Arber
• Francisco Mojica

Seminal works

• jansen2002
• madigan2018

Frequently asked questions

هل كريسبر نظام دفاعي طبيعي أم أداة تحرير؟

تطور نظام كريسبر-كاس في البكتيريا والعتائق كنظام مناعي تكيفي يحمي من العاثيات والحمض النووي الغريب الآخر. قام الباحثون لاحقًا بتكييف آلية الاستهداف الخاصة به لتصبح أداة قابلة للبرمجة لتحرير الجينومات في أنواع عديدة من الكائنات الحية.