CRISPR und prokaryotische Abwehr

Prokaryoten verteidigen sich gegen Viren und fremde DNA durch Systeme, die von Restriktions-Modifikations-Systemen bis zur adaptiven Immunität von CRISPR-Cas reichen, welches auch zu einem transformativen Werkzeug für die Genombearbeitung geworden ist.

Definition

Prokaryotische Abwehrsysteme sind die molekularen Mechanismen, mit denen Bakterien und Archaeen Bakteriophagen und andere fremde genetische Elemente erkennen und neutralisieren, einschließlich Restriktions-Modifikations-Systemen und den adaptiven Immunsystemen von CRISPR-Cas.

Scope

Dieses Thema behandelt Restriktions-Modifikations-Systeme, die fremde DNA spalten, während sie die eigene Zelle schützen; die Struktur und Funktion von CRISPR-Arrays und Cas-Proteinen; die Stadien der CRISPR-basierten adaptiven Immunität, nämlich Akquisition, Expression und Interferenz; und das breitere Spektrum der antiviralen Abwehr bei Prokaryoten. Es wird auch darauf eingegangen, wie CRISPR-Cas für die programmierbare Genombearbeitung adaptiert wurde.

Core questions

• Wie unterscheiden Prokaryoten fremde DNA von ihrer eigenen?
• Wie bietet CRISPR-Cas adaptive Immunität gegen Phagen?
• Was sind die Stadien der CRISPR-Immunität?
• Wie wurde CRISPR-Cas als Genombearbeitungswerkzeug umfunktioniert?

Key concepts

• Restriktions-Modifikations-Systeme
• CRISPR-Arrays und Spacer
• Cas-Proteine
• Akquisition, Expression und Interferenz
• CRISPR-basierte Genombearbeitung

Key theories

CRISPR-adaptive Immunität

Gehäufte Wiederholungen, die mit Spacer-Sequenzen von früheren Eindringlingen durchsetzt sind, zusammen mit assoziierten Cas-Proteinen, ermöglichen es Prokaryoten, fremde Nukleinsäuren zu speichern und gezielt anzugreifen, was ein adaptives Immunsystem darstellt.

Mechanisms

Restriktions-Modifikations-Systeme verwenden ein Restriktionsenzym, um unmethylierte fremde DNA zu spalten, während eine Methyltransferase das Wirtsgenom als „eigen“ markiert. CRISPR-Cas-Systeme fangen kurze Fragmente eindringender DNA als Spacer innerhalb eines Wiederholungs-Arrays ein; diese werden transkribiert und zu Guide-RNAs verarbeitet, die Cas-Nukleasen anweisen, passende Sequenzen bei einer Reinfektion zu erkennen und zu schneiden, wodurch eine gedächtnisbasierte Abwehr bereitgestellt wird.

Clinical relevance

Über ihre natürliche Rolle in der mikrobiellen Abwehr hinaus wurden Restriktionsenzyme zu grundlegenden Werkzeugen der rekombinanten DNA-Technologie, und CRISPR-Cas-Systeme wurden zu weit verbreiteten Genombearbeitungsplattformen mit breiten Anwendungen in den Biowissenschaften adaptiert.

History

Restriktionsenzyme wurden Mitte des 20. Jahrhunderts entdeckt und wurden zu essentiellen Werkzeugen für die molekulare Klonierung. Gehäufte Wiederholungen wurden in bakteriellen Genomen festgestellt und in den frühen 2000er Jahren als CRISPR bezeichnet, und nachfolgende Arbeiten enthüllten ihre Rolle in der adaptiven Immunität, was zur Entwicklung der CRISPR-Cas-Genombearbeitung führte.

Key figures

• Werner Arber
• Francisco Mojica

Seminal works

• jansen2002
• madigan2018

Frequently asked questions

Ist CRISPR von Natur aus ein Abwehrsystem oder ein Bearbeitungswerkzeug?

CRISPR-Cas entwickelte sich in Bakterien und Archaeen als adaptives Immunsystem, das vor Bakteriophagen und anderer fremder DNA schützt. Forscher adaptierten später seine Zielsteuerungsmaschinerie zu einem programmierbaren Werkzeug zur Bearbeitung von Genomen in vielen Arten von Organismen.