Naukowcy zrobili znaczący krok w zrozumieniu, jak działają systemy CRISPR, szczególnie te znane jako systemy IV-A, które działają inaczej niż większość innych. Systemy te wykorzystują unikalne sposoby zarządzania materiałem genetycznym bez ich cięcia. Zespół naukowców prowadzony przez profesora Patricka Pauscha, dr Linę Malinauskaite, dr Rafael Pinilla-Redondo i profesora Lennarta Randau, w tym tych z Vilnius University, Philipps-Universität Marburg i University of Copenhagen, zastosowali zaawansowane metody obrazowania do ujawnienia nowych Szczegóły dotyczące tych systemów. Ich ustalenia zostały opublikowane w czasopiśmie Nature Communications.
W przeciwieństwie do innych systemów CRISPR, które ograniczają DNA, aby go wyłączyć, systemy typu IV-A działają, zatrzymując proces, który przekształca materiał genetyczny w cząsteczki RNA, co jest wymagane do tworzenia białka w komórkach. Ten rodzaj zakłóceń jest szczególnie przydatny w kontrolowaniu konkurencji genetycznej i regulacji genów. Naukowcy skupili się na nauce, w jaki sposób te systemy identyfikują cele DNA i wprowadzają wyspecjalizowaną białko zwane helikazą ding, która odpoczywa nici DNA, aby udostępnić je do dalszych procesów, aby wykonywać swoje zadania.
Mówiąc o pracy, dr Malinauskaitė powiedział: „Nasze odkrycia ujawniają szczegółowe procesy związane z mechanizmami CRISPR typu IV-A i pokazują, jak funkcjonują one w wyjątkowy sposób. To zrozumienie może pomóc nam w opracowaniu narzędzi do edytowania materiałów genetycznych i regulacji genów na nowy sposób. ”
Naukowcy zastosowali kriogeniczną mikroskopię elektronową, metodę, która zamrozi próbki do bardzo niskich temperatur, aby uchwycić swoje struktury w wysokiej rozdzielczości, aby zmapować struktury dwóch różnych wersji systemów typu IV-A. Jedna wersja pochodzi z bakterii o nazwie Pseudomonas oleovorans, a druga pochodziła z Klebsiella pneumoniae. Stwierdzono, że systemy mają kształt krewetki, z komponentami białkowymi tworząc szkielet, który utrzymuje prowadzący RNA, który kieruje system do określonych celów DNA i wiąże się z docelowym DNA. Specyficzne białka o nazwie Cas8 i Cas5 odgrywają kluczową rolę w zapewnieniu blokowania systemu na prawidłowej sekwencji DNA. Różnice w tych białkach sugerują, że każda wersja działa nieco inaczej, umożliwiając im dostosowanie się do różnych potrzeb.
Kolejnym kluczowym odkryciem było sposób, w jaki systemy rekrutują helikazę ding, białko, które pomaga im zakłócać procesy genetyczne. Jeden system wykorzystuje wąską strefę interakcji, niewielki obszar, w którym łączą się białka, w celu przyłączenia tego białka, podczas gdy drugi ma szersze połączenie z wieloma białkami. Różnice te sugerują, że systemy ewoluowały, aby sprostać różnym wyzwaniom w zarządzaniu DNA.
Naukowcy podkreślili również podobieństwa i różnice między tymi systemami i innymi, które łączą RNA i DNA. Podczas gdy niektóre procesy wyglądają znajomo, sposób, w jaki te systemy używają helikazy Ding, wyróżnia je. Ta zmienność odzwierciedla elastyczność i możliwość adaptacji systemów CRISPR w czasie, pokazując ich ewolucyjny sukces w obsłudze materiału genetycznego.
Eksperci uważają, że badania te mają praktyczne zastosowania poza zrozumieniem genetyki. Profesor Pausch zauważył: „Kompaktowa konstrukcja systemów typu IV-A sprawia, że są idealne do tworzenia nowych narzędzi do edytowania genomów, szczególnie w sytuacjach, w których jest ograniczona przestrzeń, na przykład w systemach dostarczania opartych na wirusach”.
Pod koniec badania naukowcy przedstawili wyraźniejszy obraz działania tych systemów, oferując potencjał przyszłych zastosowań. Unikalne projekty i mechanizmy systemów typu IV-A można wykorzystać do opracowania zaawansowanych narzędzi do celów medycznych i rolniczych. Oczekuje się, że te odkrycia ukształtują przyszłość technologii edycji genomu i zapewnią nowy kierunek dla badaczy pracujących w inżynierii genetycznej.
Referencje dziennika
Čepaitė R., Klein N., Mikšys A., i in. „Strukturalna zmienność typów IV-A1- i IV-A3 interferencja CRISPR za pośrednictwem CRISPR”. Nature Communications (2024). Doi: https://doi.org/10.1038/S41467-024-53778-1
O autorach
Profesor Patrick Plausch jest wybitnym badaczem technologii edycji genomu, prowadząc przełomowe badania systemów CRISPR. Z siedzibą na Vilnius University jego wiedza specjalistyczna polega na dekodowaniu molekularnych mechanizmów regulacji genetycznej, mającej na celu opracowanie zaawansowanych narzędzi do inżynierii genetycznej.
Dr. Lina Malinauskaite jest biologiem molekularnym, którego praca koncentruje się na zrozumieniu interakcji DNA-białko. Jej badania znacząco przyczyniły się do innowacji systemowych CRISPR, z naciskiem na biologię strukturalną w celu odblokowania ich potencjału w zastosowaniach medycznych i rolniczych.
Dr Rafael Pinilla-Redondo jest wybitnym mikrobiologiem specjalizującym się w bakteryjnych układach odpornościowych i ich zastosowaniach w biotechnologii. Powiązany z University of Copenhagen, bada różnorodność i ewolucję systemów CRISPR w celu sprostania palącym wyzwaniom naukowym.
Profesor Lennart Randau jest naukowcem molekularnym znanym ze swojej pracy w biologii RNA i systemach obrony drobnoustrojów. Ma siedzibę w Philipps-Universität Marburg i znacznie rozwiną nasze zrozumienie mechanizmów adaptacyjnych CRISPR w mikroorganizmach, z implikacjami dla przyszłych innowacji biotechnologicznych.
