CRISPR/Cas u bakteriofagów może dać początek rewolucji
Stosowany w bioinżynierii system edytowania genów CRISPR/Cas9 to molekularny mechanizm precyzyjnego wycinania fragmentów DNA. W naturze zapewnia on bakteriom odporność na inwazję pozachromosomalnych elementów genetycznych, w tym bakteriofagów i plazmidów. Okazuje się, że elementy tego systemu genetycznego zawierają też genomy wielu bakteriofagów. Odkrycie to opisuje ostatnie wydanie czasopisma „Cell”.
Początki odkrycia CRISPR/Cas9 – szczególnego przypadku systemu CRISPR/Cas – przypadają na rok 1987. Wówczas to japoński mikrobiolog Yoshizumi Ishino odkrył w genomie bakterii pałeczki okrężnicy powtarzające się sekwencje nukleotydów. Nie wiedział, do czego one służą, ale znajdował je zawsze w tym samym miejscu genomu. Dlatego ich obecność nie mogła być przypadkowa. Szczegółowy mechanizm działania tych sekwencji DNA u bakterii został opisany przez Jennifer A. Doudnę i Emmanuelle Charpentier w 2012 r. (obie otrzymały za swoje odkrycie nagrodę Nobla z chemii w 2020 r.). Okazało się, że są to elementy skomplikowanego systemu samoobrony bakterii przed inwazją obcego DNA. Najczęściej pochodzącego od bakteriofagów atakujących bakterie lub od plazmidów przekazywanych przez inne bakterie.
6 tys. bakteriofagów z genami CRISPR/Cas
Sekwencje wykryte przez Ishino i badane przez obie noblistki umożliwiają działanie swego rodzaju pamięci immunologicznej zapisanej w bakteryjnym DNA. W przypadku ponownego ataku przez bakteriofagi, których fragmenty DNA zostały włączone do genomu bakterii, są używane przez molekularną maszynerię komórek bakteryjnych do naprowadzenia do DNA intruza białek Cas tnących go na drobne kawałki, tym samym go likwidując.
Za sprawą pewnych trików genetycznych ten mechanizm można zastosować nie tylko do przecinania i eliminowania obcego DNA w komórce bakteryjnej, lecz także do włączania do genomów nowych fragmentów kwasu nukleinowego – na przykład wybranych obcych genów do komórek ludzkich, zwierzęcych czy roślinnych. Ponieważ białko z rodziny Cas, którego działanie wykorzystały Doudna i Charpentier nosiło nazwę Cas9, to cały system został nazwany CRISPR/Cas9. Jednak białek tnących DNA z grupy Cas jest o wiele więcej i mają one nieco inne właściwości niż ich prototyp Cas9. W publikacji z „Cell” Doudna i współpracownicy opisują obecność elementów systemy CRISPR/Cas w DNA wielu bakteriofagów.
Naukowcy badali DNA pobierane z bakteriofagów z wielu różnych środowisk bogatych w bakteryjnych żywicieli dla wirusów, łącznie z glebą i jamą ustną człowieka. Zidentyfikowali ponad 6 tys. rodzajów bakteriofagów, które zawierają geny systemu CRISPR. Chociaż to mniej niż 1 proc. wszystkich gatunków bakteriofagów, to i tak ogromne zaskoczenie, gdyż pokazuje, że genetyczne elementy systemu CRISPR są obecne w o wiele większej grupie tych wirusów, niż sądzono do tej pory.
Powód: walka z konkurencją
Oczywiste jest w tej sytuacji pytanie, dlaczego bakteriofagi miałyby gromadzić w swoim DNA elementy systemu, który pojawił się u bakterii w celu ich eliminacji. Najbardziej prawdopodobny powód to walka z konkurencją. Daną bakterię może zaatakować równocześnie wiele wirusów, a wówczas w jej wnętrzu odbywa się między nimi swego rodzaju wojna. System CRISPR/Cas jednego bakteriofaga może eliminować DNA pozostałych, a tym samym nie dopuścić do ich namnażania się. Poza tym zachowuje ofiarę jako inkubator tylko jego własnych genów.
Kolejne istotne pytanie, które wzbudza to odkrycie, brzmi: skąd bakteriofagi wzięły fragmenty DNA z zapisem systemu CRISPR. Otóż mogły je przejąć od uprzednio zaatakowanych bakterii i dostosować do własnych celów. Na przykład to, że niektóre bakteriofagi utraciłyby zdolność generowania pewnych cząsteczek, które były zabójcze dla bakterii, pozwoliłoby zachować ofiary przez pewien czas przy życiu, a tym samym zwiększyć produkcję nowych cząsteczek własnego DNA.
Co ciekawe, bakteriofagi, które nie mają miejsca na upakowanie większych fragmentów DNA w swoich kapsydach, nie zawierają dużego genu kodującego białko Cas9, a o połowę mniejszy gen białka Cas lambda. Autorzy publikacji już dopatrują się nowych zastosowań dla mniejszego kuzyna Cas9. Szczególnie przydatny byłby on w edytowaniu genów roślin. Może dzięki temu odkryciu pójdą do przodu prace nad genetycznymi modyfikacjami roślin, co z kolei może przyśpieszyć zieloną rewolucję.