Un nou algoritm găsește o mulțime de enzime de editare a genelor în ADN-ul mediului

CRISPR – repetări palindromice scurte interspațiate în mod regulat în grup – este răspunsul lumii microbiene la imunitatea adaptivă. Bacteriile nu generează anticorpi atunci când sunt invadate de agenți patogeni și apoi blochează acei anticorpi dacă întâlnesc din nou același agent patogen, așa cum facem noi. În schimb, ei integrează o parte din ADN-ul agentului patogen în genomul lor și îl atașează la o enzimă pe care o pot folosi pentru a recunoaște secvența ADN-ului agentului patogen și o taie în bucăți dacă agentul patogen reapare.

Enzima care face tăierea se numește Cas, după CRISPR. Deși sistemul CRISPR-Cas a evoluat ca mecanism de apărare bacteriană, a fost valorificat și adaptat de cercetători ca un instrument puternic pentru manipularea genetică în studiile de laborator. Și-a dovedit, de asemenea, utilizările sale în agricultură, iar primul tratament bazat pe CRISPR a fost aprobat în Regatul Unit pentru a trata boala celulelor secera și beta-talasemia dependentă de transfuzii.

Acum, cercetătorii au dezvoltat o nouă modalitate de a căuta în genomi sisteme asemănătoare CRISPR-Cas. Au descoperit că am putea avea o mulțime de instrumente suplimentare cu care să lucrăm.

modificarea ADN-ului

Până în prezent, șase tipuri de sisteme CRISPR-Cas au fost identificate în diferiți microbi. Deși diferă în detalii, toate au același atractiv: furnizează proteine ​​unei secvențe specifice de material genetic, cu un grad de specificitate care până acum a fost dificil din punct de vedere tehnic, costisitor și consumator de timp. Orice secvență de ADN de interes din sistem poate fi programată și țintită.

Sistemele native ale microbilor aduc de obicei o exonuclează – o enzimă care scindează ADN-ul – în secvență, tăind materialul genetic al agenților patogeni. Această capacitate poate fi folosită pentru a tăia orice secvență de ADN aleasă pentru editarea genelor; Combinat cu enzime și/sau alte secvențe ADN, poate fi utilizat pentru a introduce sau șterge secvențe scurte suplimentare și pentru a corecta genele mutante. Unele sisteme CRISPR-Cas taie molecule specifice de ARN în loc de ADN. Ele pot fi folosite pentru a elimina ARN-ul care cauzează boli, cum ar fi genomul unor viruși, așa cum sunt eliminate în bacteriile native. Acest lucru poate fi folosit și pentru a salva defectele procesării ARN.

Dar există multe modalități suplimentare de a modifica acizii nucleici care pot fi utile. Este o întrebare deschisă dacă enzimele care fac modificări suplimentare au evoluat. Așa că unii cercetători au decis să le caute.

Cercetătorii de la MIT au dezvoltat un nou instrument pentru a detecta matricele CRISPR variante și l-au aplicat la perechi de baze de 8,8 tera (1.012) de informații genomice procariote. Multe dintre sistemele pe care le-au găsit sunt rare și au apărut în setul de date doar în ultimii 10 ani, evidențiind cât de important este să continue adăugarea de mostre de mediu care anterior erau dificil de obținut în aceste depozite de date.

Noul instrument a fost necesar deoarece bazele de date cu secvențe de proteine ​​și acizi nucleici se extind într-un ritm ridicol, așa că tehnicile de analiză a tuturor acestor date trebuie să țină pasul. Unii dintre algoritmii folosiți pentru a le analiza încearcă să compare fiecare secvență cu orice altă secvență, ceea ce este în mod clar insuportabil atunci când se ocupă cu miliarde de gene. Alții se bazează pe grupare, dar găsesc doar gene care sunt foarte asemănătoare, așa că nu pot face lumină asupra relațiilor evolutive dintre proteinele înrudite la distanță. Dar gruparea rapidă, sensibilă la locație, bazată pe hashtag („asamblare flash”) funcționează prin gruparea de miliarde de proteine ​​în seturi mai mici și mai mari de secvențe care diferă doar puțin pentru a identifica rude noi și rare.

O căutare folosind FLSHclust a extras cu succes 188 de sisteme CRISPR-Cas noi.

O mulțime de CRISPyness

Câteva teme au apărut din lucrare. Unul este că unele dintre sistemele CRISPR nou identificate folosesc enzime Cas cu domenii care nu au mai fost văzute până acum sau par a fi fuziuni cu gene cunoscute. Oamenii de știință au caracterizat, de asemenea, unele dintre aceste enzime și au descoperit că una este mai specifică decât enzimele CRISPR utilizate în prezent, iar o alta reduce ARN-ul pe care o propun este suficient de distinctă din punct de vedere structural pentru a include un sistem CRISPR-Cas de tip 7 complet nou.

Un corolar al acestui subiect este de a lega enzimele cu diferite funcții, nu doar nucleaze (enzime care taie ADN-ul și ARN-ul), cu matrice CRISPR. Oamenii de știință au exploatat capacitatea remarcabilă a CRISPR de a ținti gene prin atașarea la alte tipuri de enzime și molecule, cum ar fi coloranții fluorescenți. Dar se pare că evoluția a ajuns prima.

De exemplu, FLSHclust a identificat ceva numit transposază care este asociată cu două tipuri diferite de sisteme CRISPR. Transposaza este o enzimă care ajută la transferul unei anumite părți a ADN-ului într-o altă parte a genomului. Transformarea dirijată de ARN CRISPR a fost văzută înainte, dar acesta este un alt exemplu al acesteia. O întreagă gamă de proteine ​​cu diferite funcții, cum ar fi proteine ​​cu domenii transmembranare și molecule de semnalizare, au fost găsite asociate cu matricele CRISPR, evidențiind natura mix-and-match a evoluției acestor sisteme. Ei au găsit chiar și o proteină exprimată de un virus care se leagă de matricele CRISPR și le face inactive, virusul dezactivând în esență sistemul CRISPR care a evoluat pentru a proteja împotriva virușilor.

Cercetătorii nu numai că au găsit noi proteine ​​asociate cu matricele CRISPR, au găsit și alte matrice repetate distanțate în mod regulat care nu au fost asociate cu nicio enzimă Cas, similar cu CRISPR, dar nu CRISPR. Ei nu sunt siguri de funcția acestor sisteme ghidate de ARN, dar speculează că sunt implicați în apărare la fel ca CRISPR.

Autorii și-au propus să găsească „o listă de proteine ​​ghidate de ARN care ne extind înțelegerea biologiei și evoluției acestor sisteme și oferă un punct de plecare pentru dezvoltarea de noi biotehnologii”. Și par să-și fi atins obiectivul: „Rezultatele acestei lucrări dezvăluie o flexibilitate și modularitate funcțională și de reglementare fără precedent a sistemelor CRISPR”, scriu ei. Ei continuă la concluzia: „Acesta reprezintă doar o mică parte din sistemele descoperite, dar evidențiază amploarea potențialului neexploatat al biodiversității Pământului.” , Biodiversitatea Pământului și candidații rămași vor servi drept resursă pentru explorarea viitoare.

Articolul DOI: 10.1126/science.adi1910