CRISPR và Hệ thống Phòng thủ của Prokaryote

Prokaryote tự bảo vệ chống lại virus và DNA ngoại lai thông qua các hệ thống đa dạng, từ hạn chế-biến đổi đến miễn dịch thích ứng CRISPR-Cas, vốn cũng đã trở thành một công cụ mang tính chuyển đổi cho việc chỉnh sửa bộ gen.

Definition

Hệ thống phòng thủ của Prokaryote là các cơ chế phân tử mà vi khuẩn và vi khuẩn cổ nhận diện và vô hiệu hóa thể thực khuẩn (bacteriophage) và các yếu tố di truyền ngoại lai khác, bao gồm hệ thống hạn chế-biến đổi và hệ thống miễn dịch thích ứng CRISPR-Cas.

Scope

Chủ đề này bao gồm các hệ thống hạn chế-biến đổi cắt DNA ngoại lai trong khi bảo vệ DNA của tế bào; cấu trúc và chức năng của các chuỗi CRISPR và protein Cas; các giai đoạn của miễn dịch thích ứng dựa trên CRISPR, cụ thể là thu nhận, biểu hiện và can thiệp; và bức tranh tổng thể về phòng thủ kháng virus ở prokaryote. Nó cũng đề cập đến cách CRISPR-Cas được điều chỉnh để chỉnh sửa bộ gen có thể lập trình.

Core questions

• Làm thế nào prokaryote phân biệt DNA ngoại lai với DNA của chính chúng?
• CRISPR-Cas cung cấp miễn dịch thích ứng chống lại thể thực khuẩn như thế nào?
• Các giai đoạn của miễn dịch CRISPR là gì?
• CRISPR-Cas đã được tái sử dụng làm công cụ chỉnh sửa bộ gen như thế nào?

Key concepts

• Hệ thống hạn chế-biến đổi
• Các chuỗi CRISPR và đoạn đệm (spacer)
• Protein Cas
• Thu nhận, biểu hiện và can thiệp
• Chỉnh sửa bộ gen dựa trên CRISPR

Key theories

Miễn dịch thích ứng CRISPR

Các đoạn lặp lại được nhóm lại xen kẽ với các trình tự đoạn đệm (spacer) có nguồn gốc từ các tác nhân xâm nhập trong quá khứ, cùng với các protein Cas liên quan, cho phép prokaryote ghi nhớ và nhắm mục tiêu các axit nucleic ngoại lai, tạo thành một hệ thống miễn dịch thích ứng.

Mechanisms

Hệ thống hạn chế-biến đổi sử dụng enzyme hạn chế để cắt DNA ngoại lai không bị methyl hóa trong khi một methyltransferase đánh dấu bộ gen của vật chủ là tự thân. Hệ thống CRISPR-Cas thu nhận các đoạn ngắn DNA xâm nhập làm các đoạn đệm (spacer) trong một chuỗi lặp lại; chúng được phiên mã và xử lý thành các RNA dẫn đường (guide RNA) hướng các nuclease Cas nhận diện và cắt các trình tự phù hợp khi tái nhiễm, cung cấp một cơ chế phòng thủ dựa trên trí nhớ.

Clinical relevance

Ngoài vai trò tự nhiên trong phòng thủ vi sinh vật, các enzyme hạn chế đã trở thành công cụ nền tảng của công nghệ DNA tái tổ hợp, và các hệ thống CRISPR-Cas đã được điều chỉnh thành các nền tảng chỉnh sửa bộ gen được sử dụng rộng rãi với các ứng dụng đa dạng trong khoa học đời sống.

History

Các enzyme hạn chế được phát hiện vào giữa thế kỷ XX và trở thành công cụ thiết yếu cho việc nhân bản phân tử. Các đoạn lặp lại được nhóm lại (clustered repeats) đã được ghi nhận trong bộ gen vi khuẩn và được đặt tên là CRISPR vào đầu những năm 2000, và các nghiên cứu tiếp theo đã tiết lộ vai trò của chúng trong miễn dịch thích ứng, dẫn đến sự phát triển của chỉnh sửa bộ gen CRISPR-Cas.

Key figures

• Werner Arber
• Francisco Mojica

Seminal works

• jansen2002
• madigan2018

Frequently asked questions

CRISPR tự nhiên là một hệ thống phòng thủ hay một công cụ chỉnh sửa?

CRISPR-Cas đã tiến hóa trong vi khuẩn và vi khuẩn cổ như một hệ thống miễn dịch thích ứng bảo vệ chống lại thể thực khuẩn (bacteriophage) và các DNA ngoại lai khác. Các nhà nghiên cứu sau đó đã điều chỉnh bộ máy nhắm mục tiêu của nó thành một công cụ có thể lập trình để chỉnh sửa bộ gen ở nhiều loại sinh vật.