CRISPR и защита прокариот

Прокариоты защищаются от вирусов и чужеродной ДНК с помощью систем, начиная от рестрикции-модификации и заканчивая адаптивным иммунитетом CRISPR-Cas, который также стал преобразующим инструментом для редактирования генома.

Definition

Системы защиты прокариот — это молекулярные механизмы, с помощью которых бактерии и археи распознают и нейтрализуют бактериофаги и другие чужеродные генетические элементы, включая рестрикционно-модификационные и адаптивные иммунные системы CRISPR-Cas.

Scope

Эта тема охватывает системы рестрикции-модификации, которые расщепляют чужеродную ДНК, защищая при этом собственную ДНК клетки; структуру и функцию CRISPR-массивов и белков Cas; стадии адаптивного иммунитета на основе CRISPR, а именно приобретение, экспрессию и интерференцию; а также более широкий спектр противовирусной защиты у прокариот. В ней также рассматривается, как CRISPR-Cas был адаптирован для программируемого редактирования генома.

Core questions

• Как прокариоты отличают чужеродную ДНК от своей собственной?
• Как CRISPR-Cas обеспечивает адаптивный иммунитет против фагов?
• Каковы стадии CRISPR-иммунитета?
• Как CRISPR-Cas был перепрофилирован в инструмент для редактирования генома?

Key concepts

• Рестрикционно-модификационные системы
• CRISPR-массивы и спейсеры
• Белки Cas
• Приобретение, экспрессия и интерференция
• Редактирование генома на основе CRISPR

Key theories

Адаптивный иммунитет CRISPR

Кластерные повторы, перемежающиеся спейсерными последовательностями, полученными от прошлых захватчиков, вместе со связанными белками Cas, позволяют прокариотам записывать и нацеливать чужеродные нуклеиновые кислоты, составляя адаптивную иммунную систему.

Mechanisms

Рестрикционно-модификационные системы используют рестриктазу для расщепления неметилированной чужеродной ДНК, в то время как метилтрансфераза помечает геном хозяина как свой. Системы CRISPR-Cas захватывают короткие фрагменты вторгающейся ДНК в качестве спейсеров внутри повторяющегося массива; они транскрибируются и обрабатываются в направляющие РНК, которые направляют нуклеазы Cas для распознавания и разрезания соответствующих последовательностей при повторном заражении, обеспечивая защиту, основанную на памяти.

Clinical relevance

Помимо своей естественной роли в микробной защите, рестриктазы стали основополагающими инструментами технологии рекомбинантной ДНК, а системы CRISPR-Cas были адаптированы в широко используемые платформы для редактирования генома с широким применением в биологических науках.

History

Рестриктазы были открыты в середине двадцатого века и стали незаменимыми инструментами для молекулярного клонирования. Кластерные повторы были замечены в бактериальных геномах и названы CRISPR в начале 2000-х годов, а последующая работа выявила их роль в адаптивном иммунитете, что привело к разработке редактирования генома с помощью CRISPR-Cas.

Key figures

• Werner Arber
• Francisco Mojica

Seminal works

• jansen2002
• madigan2018

Frequently asked questions

Является ли CRISPR естественной защитной системой или инструментом для редактирования?

CRISPR-Cas эволюционировал у бактерий и архей как адаптивная иммунная система, которая защищает от бактериофагов и другой чужеродной ДНК. Исследователи позже адаптировали ее механизм нацеливания в программируемый инструмент для редактирования геномов у многих видов организмов.