کریسپر و دفاع پروکاریوتی

پروکاریوت‌ها از طریق سیستم‌هایی از محدودکننده-اصلاح‌کننده گرفته تا ایمنی تطبیقی کریسپر-کَس، از خود در برابر ویروس‌ها و DNA خارجی دفاع می‌کنند، که این سیستم به ابزاری متحول‌کننده برای ویرایش ژنوم نیز تبدیل شده است.

Definition

سیستم‌های دفاعی پروکاریوتی، مکانیسم‌های مولکولی هستند که باکتری‌ها و آرکئاها از طریق آن‌ها باکتریوفاژها و سایر عناصر ژنتیکی خارجی را شناسایی و خنثی می‌کنند، از جمله سیستم‌های محدودکننده-اصلاح‌کننده و سیستم‌های ایمنی تطبیقی کریسپر-کَس.

Scope

این موضوع شامل سیستم‌های محدودکننده-اصلاح‌کننده است که DNA خارجی را برش می‌دهند در حالی که DNA خود سلول را محافظت می‌کنند؛ ساختار و عملکرد آرایه‌های کریسپر و پروتئین‌های کَس؛ مراحل ایمنی تطبیقی مبتنی بر کریسپر، یعنی اکتساب، بیان و تداخل؛ و چشم‌انداز وسیع‌تر دفاع ضدویروسی در پروکاریوت‌ها. همچنین به چگونگی تطبیق کریسپر-کَس برای ویرایش ژنوم قابل برنامه‌ریزی می‌پردازد.

Core questions

• پروکاریوت‌ها چگونه DNA خارجی را از DNA خود تشخیص می‌دهند؟
• کریسپر-کَس چگونه ایمنی تطبیقی در برابر فاژها فراهم می‌کند؟
• مراحل ایمنی کریسپر کدامند؟
• کریسپر-کَس چگونه به عنوان ابزاری برای ویرایش ژنوم بازسازی شد؟

Key concepts

• سیستم‌های محدودکننده-اصلاح‌کننده
• آرایه‌ها و اسپیسرهای کریسپر
• پروتئین‌های کَس
• اکتساب، بیان و تداخل
• ویرایش ژنوم مبتنی بر کریسپر

Key theories

ایمنی تطبیقی کریسپر

تکرارهای خوشه‌ای که با توالی‌های اسپیسر مشتق شده از مهاجمان گذشته در هم آمیخته‌اند، همراه با پروتئین‌های کَس مرتبط، به پروکاریوت‌ها اجازه می‌دهند تا اسیدهای نوکلئیک خارجی را ثبت و هدف قرار دهند، که یک سیستم ایمنی تطبیقی را تشکیل می‌دهد.

Mechanisms

سیستم‌های محدودکننده-اصلاح‌کننده از یک آنزیم محدودکننده برای برش DNA خارجی متیله‌نشده استفاده می‌کنند، در حالی که یک متیل‌ترانسفراز ژنوم میزبان را به عنوان خودی علامت‌گذاری می‌کند. سیستم‌های کریسپر-کَس قطعات کوتاهی از DNA مهاجم را به عنوان اسپیسر در یک آرایه تکراری جذب می‌کنند؛ این قطعات رونویسی شده و به RNAهای راهنما پردازش می‌شوند که نوکلئازهای کَس را برای شناسایی و برش توالی‌های منطبق در هنگام عفونت مجدد هدایت می‌کنند و دفاعی مبتنی بر حافظه را فراهم می‌آورند.

Clinical relevance

فراتر از نقش طبیعی خود در دفاع میکروبی، آنزیم‌های محدودکننده به ابزارهای اساسی فناوری DNA نوترکیب تبدیل شدند، و سیستم‌های کریسپر-کَس به پلتفرم‌های ویرایش ژنوم پرکاربرد با کاربردهای گسترده در علوم زیستی تطبیق داده شده‌اند.

History

آنزیم‌های محدودکننده در اواسط قرن بیستم کشف شدند و به ابزارهای ضروری برای کلونینگ مولکولی تبدیل گشتند. تکرارهای خوشه‌ای در ژنوم باکتریایی مشاهده شدند و در اوایل دهه ۲۰۰۰ کریسپر نام گرفتند، و کارهای بعدی نقش آن‌ها را در ایمنی تطبیقی آشکار ساخت که منجر به توسعه ویرایش ژنوم کریسپر-کَس شد.

Key figures

• Werner Arber
• Francisco Mojica

Seminal works

• jansen2002
• madigan2018

Frequently asked questions

آیا کریسپر به طور طبیعی یک سیستم دفاعی است یا یک ابزار ویرایش؟

کریسپر-کَس در باکتری‌ها و آرکئاها به عنوان یک سیستم ایمنی تطبیقی تکامل یافته است که در برابر باکتریوفاژها و سایر DNAهای خارجی محافظت می‌کند. محققان بعدها ماشین‌آلات هدف‌گیری آن را به یک ابزار قابل برنامه‌ریزی برای ویرایش ژنوم در انواع بسیاری از موجودات زنده تطبیق دادند.