CRISPR dan Pertahanan Prokariotik

Prokariota mempertahankan diri dari virus dan DNA asing melalui sistem yang bervariasi mulai dari restriksi-modifikasi hingga imunitas adaptif CRISPR-Cas, yang juga telah menjadi alat transformatif untuk penyuntingan genom.

Definition

Sistem pertahanan prokariotik adalah mekanisme molekuler yang digunakan bakteri dan archaea untuk mengenali dan menetralkan bakteriofag serta elemen genetik asing lainnya, termasuk restriksi-modifikasi dan sistem kekebalan adaptif CRISPR-Cas.

Scope

Topik ini mencakup sistem restriksi-modifikasi yang memotong DNA asing sambil melindungi DNA sel itu sendiri; struktur dan fungsi susunan CRISPR dan protein Cas; tahapan imunitas adaptif berbasis CRISPR, yaitu akuisisi, ekspresi, dan interferensi; serta lanskap pertahanan antivirus yang lebih luas pada prokariota. Ini juga membahas bagaimana CRISPR-Cas diadaptasi untuk penyuntingan genom yang dapat diprogram.

Core questions

• Bagaimana prokariota membedakan DNA asing dari DNA mereka sendiri?
• Bagaimana CRISPR-Cas memberikan imunitas adaptif terhadap fag?
• Apa saja tahapan imunitas CRISPR?
• Bagaimana CRISPR-Cas digunakan kembali sebagai alat penyuntingan genom?

Key concepts

• Sistem restriksi-modifikasi
• Susunan CRISPR dan spacer
• Protein Cas
• Akuisisi, ekspresi, dan interferensi
• Penyuntingan genom berbasis CRISPR

Key theories

Imunitas adaptif CRISPR

Pengulangan berkerumun yang diselingi dengan sekuens spacer yang berasal dari penginvasi masa lalu, bersama dengan protein Cas terkait, memungkinkan prokariota untuk merekam dan menargetkan asam nukleat asing, membentuk sistem kekebalan adaptif.

Mechanisms

Sistem restriksi-modifikasi menggunakan enzim restriksi untuk memotong DNA asing yang tidak termetilasi, sementara metiltransferase menandai genom inang sebagai 'milik sendiri'. Sistem CRISPR-Cas menangkap fragmen pendek DNA penginvasi sebagai 'spacer' dalam susunan berulang; ini ditranskripsi dan diproses menjadi RNA pemandu yang mengarahkan nuklease Cas untuk mengenali dan memotong sekuens yang cocok saat terjadi re-infeksi, menyediakan pertahanan berbasis memori.

Clinical relevance

Di luar peran alaminya dalam pertahanan mikroba, enzim restriksi menjadi alat dasar teknologi DNA rekombinan, dan sistem CRISPR-Cas telah diadaptasi menjadi platform penyuntingan genom yang banyak digunakan dengan aplikasi luas di seluruh ilmu hayati.

History

Enzim restriksi ditemukan pada pertengahan abad ke-20 dan menjadi alat penting untuk kloning molekuler. Pengulangan berkerumun (clustered repeats) dicatat dalam genom bakteri dan dinamakan CRISPR pada awal tahun 2000-an, dan penelitian selanjutnya mengungkapkan perannya dalam imunitas adaptif, yang mengarah pada pengembangan penyuntingan genom CRISPR-Cas.

Key figures

• Werner Arber
• Francisco Mojica

Seminal works

• jansen2002
• madigan2018

Frequently asked questions

Apakah CRISPR secara alami merupakan sistem pertahanan atau alat penyuntingan?

CRISPR-Cas berevolusi pada bakteri dan archaea sebagai sistem kekebalan adaptif yang melindungi dari bakteriofag dan DNA asing lainnya. Para peneliti kemudian mengadaptasi mekanisme penargetannya menjadi alat yang dapat diprogram untuk menyunting genom pada berbagai jenis organisme.