Nowy algorytm znajduje wiele enzymów edytujących geny w DNA środowiska

CRISPR — skupione, regularnie przeplatane krótkimi powtórzeniami palindromowymi — to odpowiedź świata drobnoustrojów na odporność nabytą. Bakterie nie wytwarzają przeciwciał, gdy zostaną zaatakowane przez patogeny, a następnie blokują te przeciwciała, jeśli ponownie napotkają ten sam patogen, tak jak my. Zamiast tego integrują część DNA patogenu ze swoim genomem i przyłączają go do enzymu, którego mogą użyć do rozpoznania sekwencji DNA patogenu i pocięcia go na kawałki, jeśli patogen pojawi się ponownie.

Enzym, który dokonuje cięcia, nazywa się Cas, od CRISPR. Chociaż system CRISPR-Cas ewoluował jako mechanizm obronny bakterii, badacze wykorzystali go i zaadaptowali jako potężne narzędzie manipulacji genetycznej w badaniach laboratoryjnych. Udowodniono również jego zastosowanie w rolnictwie, a w Wielkiej Brytanii zatwierdzono pierwszą terapię opartą na CRISPR do leczenia anemii sierpowatokrwinkowej i beta-talasemii zależnej od transfuzji.

Teraz badacze opracowali nowy sposób wyszukiwania genomów pod kątem systemów podobnych do CRISPR-Cas. Odkryli, że możemy mieć wiele dodatkowych narzędzi do pracy.

Modyfikacja DNA

Do chwili obecnej zidentyfikowano sześć typów systemów CRISPR-Cas u różnych drobnoustrojów. Chociaż różnią się szczegółami, wszystkie mają ten sam urok: dostarczają białka do określonej sekwencji materiału genetycznego o stopniu specyficzności, który do tej pory był technicznie trudny, kosztowny i czasochłonny. Można zaprogramować i ukierunkować dowolną sekwencję DNA interesującą system.

Natywne systemy drobnoustrojów zazwyczaj wprowadzają do sekwencji egzonukleazę – enzym rozszczepiający DNA – rozdrabniając materiał genetyczny patogenów. Zdolność tę można wykorzystać do wycięcia dowolnej sekwencji DNA w celu edycji genów; W połączeniu z enzymami i/lub innymi sekwencjami DNA można go stosować do wstawiania lub usuwania dodatkowych krótkich sekwencji oraz do korygowania zmutowanych genów. Niektóre systemy CRISPR-Cas tną określone cząsteczki RNA zamiast DNA. Można je stosować do eliminacji chorobotwórczego RNA, takiego jak genomy niektórych wirusów, w sposób, w jaki są one eliminowane w rodzimych bakteriach. Można to również wykorzystać do usunięcia defektów w przetwarzaniu RNA.

Istnieje jednak wiele dodatkowych sposobów modyfikowania kwasów nukleinowych, które mogą być przydatne. Otwartym pytaniem jest, czy enzymy dokonujące dodatkowych modyfikacji ewoluowały. Dlatego niektórzy badacze postanowili ich poszukać.

Naukowcy z MIT opracowali nowe narzędzie do wykrywania wariantów macierzy CRISPR i zastosowali je do 8,8 tera (1012) par zasad informacji genomicznej prokariotów. Wiele ze znalezionych systemów jest rzadkich i pojawiło się w zbiorze danych dopiero w ciągu ostatnich 10 lat, co podkreśla, jak ważne jest dalsze dodawanie do repozytoriów danych próbek środowiskowych, które wcześniej były trudne do uzyskania.

Nowe narzędzie było potrzebne, ponieważ bazy danych zawierające sekwencje białek i kwasów nukleinowych rozwijają się w absurdalnym tempie, dlatego techniki analizy wszystkich tych danych muszą nadążać. Niektóre algorytmy stosowane do ich analizy próbują porównać każdą sekwencję z każdą inną sekwencją, co jest wyraźnie nie do utrzymania w przypadku miliardów genów. Inne opierają się na grupowaniu, ale znajdują jedynie geny, które są bardzo podobne, więc nie mogą rzucić światła na powiązania ewolucyjne między odlegle spokrewnionymi białkami. Jednak szybkie, zależne od lokalizacji grupowanie oparte na hashtagach („składanie flash”) polega na grupowaniu miliardów białek w mniejsze i większe zestawy sekwencji, które różnią się tylko nieznacznie, aby zidentyfikować nowych i rzadkich krewnych.

Wyszukiwanie za pomocą narzędzia FLSHclust pozwoliło pomyślnie wyodrębnić 188 nowych systemów CRISPR-Cas.

Dużo CHRUPOŚCI

Z pracy wyłoniły się pewne wątki. Po pierwsze, niektóre z nowo zidentyfikowanych systemów CRISPR wykorzystują enzymy Cas z domenami, których nigdy wcześniej nie widziano, lub które wydają się być fuzjami ze znanymi genami. Naukowcy scharakteryzowali także niektóre z tych enzymów i odkryli, że jeden jest bardziej specyficzny niż obecnie stosowane enzymy CRISPR, a inny proponowany przez nich kawałek RNA jest na tyle odrębny strukturalnie, że obejmuje całkowicie nowy system CRISPR-Cas typu 7.

Konsekwencją tego tematu jest połączenie enzymów o różnych funkcjach, a nie tylko nukleaz (enzymów przecinających DNA i RNA), z macierzami CRISPR. Naukowcy wykorzystali niezwykłą zdolność CRISPR do namierzania genów poprzez przyłączanie go do innych typów enzymów i cząsteczek, takich jak barwniki fluorescencyjne. Ale najwyraźniej ewolucja dotarła tam pierwsza.

Na przykład w ramach projektu FLSHclust zidentyfikowano coś, co nazywa się transpozazą i jest powiązane z dwoma różnymi typami systemów CRISPR. Transpozaza to enzym, który pomaga przenieść określoną część DNA do innej części genomu. Transformację CRISPR kierowaną RNA widziano już wcześniej, ale jest to kolejny tego przykład. Stwierdzono, że z macierzami CRISPR powiązany jest cały szereg białek o różnych funkcjach, takich jak białka z domenami transbłonowymi i cząsteczkami sygnalizacyjnymi, co podkreśla mieszany charakter ewolucji tych systemów. Znaleźli nawet białko wyrażane przez wirusa, które wiąże się z macierzami CRISPR i czyni je nieaktywnymi, przy czym wirus zasadniczo unieszkodliwia system CRISPR, który ewoluował w celu ochrony przed wirusami.

Naukowcy nie tylko odkryli nowe białka powiązane z macierzami CRISPR, ale także inne regularnie rozmieszczone macierze powtórzeń, które nie były powiązane z żadnymi enzymami Cas, podobne do CRISPR, ale nie CRISPR. Nie są pewni funkcji tych systemów kierowanych przez RNA, ale spekulują, że są one zaangażowane w obronę, podobnie jak CRISPR.

Autorzy postanowili znaleźć „listę białek kierowanych za pomocą RNA, które poszerzają naszą wiedzę na temat biologii i ewolucji tych układów oraz stanowią punkt wyjścia dla rozwoju nowych biotechnologii”. Wydaje się, że osiągnęli swój cel: „Wyniki tych prac ujawniają bezprecedensową elastyczność regulacyjną i funkcjonalną oraz modułowość systemów CRISPR” – piszą, a następnie podsumowują: „To tylko niewielka część odkrytych systemów, ale podkreśla zakres niewykorzystanego potencjału różnorodności biologicznej Ziemi.” , różnorodność biologiczna Ziemi, a pozostali kandydaci posłużą jako zasoby do przyszłych badań.

Artykuł DOI: 10.1126/science.adi1910