CRISPR และการป้องกันในโปรคาริโอต

โปรคาริโอตป้องกันตนเองจากไวรัสและ DNA แปลกปลอมผ่านระบบต่างๆ ตั้งแต่ระบบจำกัด-ดัดแปลง (restriction-modification) ไปจนถึงภูมิคุ้มกันแบบปรับตัวของ CRISPR-Cas ซึ่งได้กลายเป็นเครื่องมือที่พลิกโฉมสำหรับการแก้ไขจีโนมด้วยเช่นกัน

Definition

ระบบป้องกันของโปรคาริโอตคือกลไกระดับโมเลกุลที่แบคทีเรียและอาร์เคียใช้ในการจดจำและทำให้แบคทีริโอฟาจและองค์ประกอบทางพันธุกรรมแปลกปลอมอื่นๆ เป็นกลาง ซึ่งรวมถึงระบบจำกัด-ดัดแปลง และระบบภูมิคุ้มกันแบบปรับตัว CRISPR-Cas

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมระบบจำกัด-ดัดแปลงที่ตัด DNA แปลกปลอมในขณะที่ปกป้อง DNA ของเซลล์เอง โครงสร้างและหน้าที่ของ CRISPR arrays และโปรตีน Cas ระยะต่างๆ ของภูมิคุ้มกันแบบปรับตัวที่อาศัย CRISPR ได้แก่ การรับเข้า (acquisition) การแสดงออก (expression) และการรบกวน (interference) และภาพรวมที่กว้างขึ้นของการป้องกันไวรัสในโปรคาริโอต นอกจากนี้ยังกล่าวถึงวิธีการที่ CRISPR-Cas ถูกนำมาปรับใช้สำหรับการแก้ไขจีโนมแบบตั้งโปรแกรมได้

Core questions

• โปรคาริโอตแยกแยะ DNA แปลกปลอมออกจาก DNA ของตนเองได้อย่างไร?
• CRISPR-Cas ให้ภูมิคุ้มกันแบบปรับตัวต่อฟาจได้อย่างไร?
• ระยะต่างๆ ของภูมิคุ้มกัน CRISPR มีอะไรบ้าง?
• CRISPR-Cas ถูกนำมาใช้ใหม่เป็นเครื่องมือแก้ไขจีโนมได้อย่างไร?

Key concepts

• ระบบจำกัด-ดัดแปลง
• CRISPR arrays และสเปเซอร์
• โปรตีน Cas
• การรับเข้า การแสดงออก และการรบกวน
• การแก้ไขจีโนมด้วย CRISPR

Key theories

ภูมิคุ้มกันแบบปรับตัวของ CRISPR

ลำดับซ้ำที่รวมกลุ่มกันซึ่งคั่นด้วยลำดับสเปเซอร์ที่ได้มาจากผู้รุกรานในอดีต ร่วมกับโปรตีน Cas ที่เกี่ยวข้อง ช่วยให้โปรคาริโอตสามารถบันทึกและกำหนดเป้าหมายกรดนิวคลีอิกแปลกปลอม ซึ่งประกอบเป็นระบบภูมิคุ้มกันแบบปรับตัว

Mechanisms

ระบบจำกัด-ดัดแปลงใช้เอนไซม์จำกัด (restriction enzyme) ในการตัด DNA แปลกปลอมที่ไม่มีการเติมหมู่เมทิล (unmethylated) ในขณะที่เอนไซม์เมทิลทรานสเฟอเรส (methyltransferase) จะทำเครื่องหมายจีโนมของโฮสต์ว่าเป็นของตนเอง ระบบ CRISPR-Cas จะจับชิ้นส่วนสั้นๆ ของ DNA ที่รุกรานเข้ามาเป็นสเปเซอร์ (spacers) ภายในแถวซ้ำ (repeat array) ชิ้นส่วนเหล่านี้จะถูกถอดรหัสและประมวลผลเป็นไกด์ RNA (guide RNAs) ที่นำนิวคลีเอส Cas ไปจดจำและตัดลำดับที่ตรงกันเมื่อมีการติดเชื้อซ้ำ ซึ่งเป็นการป้องกันที่อาศัยความทรงจำ

Clinical relevance

นอกเหนือจากบทบาทตามธรรมชาติในการป้องกันจุลินทรีย์แล้ว เอนไซม์จำกัดยังกลายเป็นเครื่องมือพื้นฐานของเทคโนโลยี DNA รีคอมบิแนนท์ และระบบ CRISPR-Cas ได้ถูกนำมาปรับใช้เป็นแพลตฟอร์มการแก้ไขจีโนมที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย โดยมีการประยุกต์ใช้ในวงกว้างในสาขาวิทยาศาสตร์ชีวภาพ

History

เอนไซม์จำกัดถูกค้นพบในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 และกลายเป็นเครื่องมือสำคัญสำหรับการโคลนระดับโมเลกุล ลำดับซ้ำที่รวมกลุ่มกัน (clustered repeats) ถูกสังเกตพบในจีโนมของแบคทีเรียและถูกตั้งชื่อว่า CRISPR ในช่วงต้นทศวรรษ 2000 และงานวิจัยต่อมาได้เปิดเผยบทบาทของพวกมันในภูมิคุ้มกันแบบปรับตัว ซึ่งนำไปสู่การพัฒนาการแก้ไขจีโนมด้วย CRISPR-Cas

Key figures

• Werner Arber
• Francisco Mojica

Seminal works

• jansen2002
• madigan2018

Frequently asked questions

CRISPR เป็นระบบป้องกันตามธรรมชาติหรือเป็นเครื่องมือแก้ไข?

CRISPR-Cas วิวัฒนาการในแบคทีเรียและอาร์เคียในฐานะระบบภูมิคุ้มกันแบบปรับตัวที่ป้องกันแบคทีริโอฟาจและ DNA แปลกปลอมอื่นๆ นักวิจัยได้นำกลไกการกำหนดเป้าหมายของมันมาปรับใช้เป็นเครื่องมือที่ตั้งโปรแกรมได้สำหรับการแก้ไขจีโนมในสิ่งมีชีวิตหลายชนิดในภายหลัง