CRISPR

náhled|Princip systému CRISPR/Cas v prokaryotní buňce

CRISPR jsou segmenty nahromaděných pravidelně rozmístěných krátkých palindromických repetic (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats),Sawyer, Eric (9 February 2013). "Editing Genomes with the Bacterial Immune System". Scitable. Nature Publishing Group. Retrieved 6 April 2015. jsou to úseky prokaryotické DNA obsahující krátké repetice nukleotidů. Každá z repetic je následována krátkými segmenty tzv. spacer DNA, získanými při předchozích setkáních s příslušnými fágy nebo plazmidy.Marraffini LA, Sontheimer EJ (March 2010). "CRISPR interference: RNA-directed adaptive immunity in bacteria and archaea". Nature Reviews Genetics 11 (3): 181–190. doi:10.1038/nrg2749. PMC 2928866. .

CRISPR / Cas systém je prokaryotický imunitní systém, zajišťující rezistenci vůči cizím genetickým elementům, jako jsou plazmidy nebo fágy,Barrangou R, Fremaux C, Deveau H, Richards M, Boyaval P, Moineau S, Romero DA, Horvath P (March 2007). "CRISPR provides acquired resistance against viruses in prokaryotes". Science 315 (5819): 1709–1712. Bibcode:2007Sci...315.1709B. doi:10.1126/science.1138140. Marraffini LA, Sontheimer EJ (December 2008). "CRISPR interference limits horizontal gene transfer in staphylococci by targeting DNA". Science 322 (5909): 1843–1845. Bibcode:2008Sci...322.1843M. doi:10.1126/science.1165771. PMC 2695655. a představuje tedy formu získané imunity. Spacerová DNA tyto exogenní genetické elementy rozpozná a deaktivuje způsobem analogickým s mechanismem RNA interference v eukaryotických organismech.Marraffini LA, Sontheimer EJ (March 2010). "CRISPR interference: RNA-directed adaptive immunity in bacteria and archaea". Nature Reviews Genetics 11 (3): 181–190. doi:10.1038/nrg2749. PMC 2928866. CRISPR lokusy již byly objeveny u přibližně 40% osekvenovaných bakterií a u 90% archeí.Grissa I, Vergnaud G, Pourcel C (2007). "The CRISPRdb database and tools to display CRISPRs and to generate dictionaries of spacers and repeats". BMC Bioinformatics 8: 172. doi:10.1186/1471-2105-8-172. PMC 1892036. Technologie CRISPR interference má enormní potenciál k uplatnění, včetně pozměňování lidské zárodečné linie, zvířat (i dalších organismů) nebo modifikace genů potravinářských plodin. Doručením proteinu Cas9 a příslušné naváděcí RNA do buňky lze genom cílového organismu rozstřihnout v jakémkoli požadovaném místě.Ledford, Heidi (3 June 2015). "CRISPR, the disruptor". News Feature. Nature 522 (7554).Snyder, Bill (21 August 2014). "New technique accelerates genome editing process". research news @ Vanderbilt. Nashville, Tennessee: Vanderbilt University.Hendel A, Bak RO, Clark JT, Kennedy AB, Ryan DE, Roy S, Steinfeld I, Lunstad BD, Kaiser RJ, Wilkens AB, Bacchetta R, Tsalenko A, Dellinger D, Bruhn L, Porteus MH (June 2015). "Chemically modified guide RNAs enhance CRISPR-Cas genome editing in human primary cells". Nature Biotechnology 33: 985–9. doi:10.1038/nbt.3290. CRISPRy ve spojení se specifickými endonukleázami, určenými k editování genomu či cílené regulaci genů, již byly otestovány v rozličných organismechMali P, Esvelt KM, Church GM (October 2013). "Cas9 as a versatile tool for engineering biology". Nature Methods 10 (10): 957–63. doi:10.1038/nmeth.2649. PMC 4051438. Z etického hlediska se jeví jako znepokojivá zejména možnost editace lidské zárodečné linie.Ledford, Heidi (3 June 2015). "CRISPR, the disruptor". Nature 522 (7554): 20–24. doi:10.1038/522020a.

Historie CRISPR je přirozenou součástí bakteriálních procesů. Bakterie mají schopnost začleňovat cizí DNA a dokonce i účelně získávat poškozenou DNA přímo ze svého okolního prostředí.Overballe-Petersen S, Harms K, Orlando LA, Mayar JV, Rasmussen S, Dahl TW, Rosing MT, Poole AM, Sicheritz-Ponten T, Brunak S, Inselmann S, de Vries J, Wackernagel W, Pybus OG, Nielsen R, Johnsen PJ, Nielsen KM, Willerslev E (December 2013). "Bacterial natural transformation by highly fragmented and damaged DNA". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 110 (49): 19860–5. Bibcode:2013PNAS..11019860O. doi:10.1073/pnas.1315278110. . Lay summary – Kurzweil (19 November 2013).open access publication - free to read Nahromaděné repetice byly poprvé popsány v roce 1987 u bakterie Escherichia coli na Univerzitě v Osace, vědcem Yoshizumim Ishinou, v té době ovšem jejich funkce nebyla známa.Ishino Y, Shinagawa H, Makino K, Amemura M, Nakata A (Dec 1987). "Nucleotide sequence of the iap gene, responsible for alkaline phosphatase isozyme conversion in Escherichia coli, and identification of the gene product". Journal of Bacteriology 169 (12): 5429–33. PMC 213968. Nezávisle na tom byly tyto repetice pozorovány také španělským badatelem Franciscem Mojicou v roce 1993Lander ES (Jan 2016). "The Heroes of CRISPR". Cell 164 (1-2): 18–28. doi:10.1016/j.cell.2015.12.041, který je nazval krátkými pravidelně rozmístěnými repeticemi (SRSR).Mojica FJ, Díez-Villaseñor C, Soria E, Juez G (Apr 2000). "Biological significance of a family of regularly spaced repeats in the genomes of Archaea, Bacteria and mitochondria". Molecular Microbiology 36 (1): 244–6. doi:10.1046/j.1365-2958.2000.01838.x. V roce 2000 byly podobné repetice identifikovány u dalších zástupců bakterií a archeí. Na Mojicův návrh byly SRSR roku 2002 přejmenovány na CRISPR.Lander ES (Jan 2016). "The Heroes of CRISPR". Cell 164 (1-2): 18–28. doi:10.1016/j.cell.2015.12.041. .Jansen R, Embden JD, Gaastra W, Schouls LM (Mar 2002). "Identification of genes that are associated with DNA repeats in prokaryotes". Molecular Microbiology 43 (6): 1565–75. doi:10.1046/j.1365-2958.2002.02839.x. Poprvé vyvstalo podezření, že by CRISPR lokusy mohly být zodpovědné za zprostředkování adaptivní imunity u mikrobů.Mojica FJ, Díez-Villaseñor C, García-Martínez J, Soria E (Feb 2005). "Intervening sequences of regularly spaced prokaryotic repeats derive from foreign genetic elements". Journal of Molecular Evolution 60 (2): 174–82. doi:10.1007/s00239-004-0046-3. Práce zahrhující tyto hypotézy byla prvotně odmítnuta celou řadou vysoce impaktovaných žurnálů.Pourcel C, Salvignol G, Vergnaud G (Mar 2005). "CRISPR elements in Yersinia pestis acquire new repeats by preferential uptake of bacteriophage DNA, and provide additional tools for evolutionary studies". Microbiology 151 (Pt 3): 653–63. doi:10.1099/mic.0.27437-0. .Bolotin A, Quinquis B, Sorokin A, Ehrlich SD (Aug 2005). "Clustered regularly interspaced short palindrome repeats (CRISPRs) have spacers of extrachromosomal origin". Microbiology 151 (Pt 8): 2551–61. doi:10.1099/mic.0.28048-0. . Byla objevena řada genů, asociovaných s CRISPRovýmy repeticemi, pojmenovaných Cas, neboli CRISPR-associated genes (s CRISPRem-asociované geny). Cas geny kódují nukleázy nebo helikázy, což jsou enzymy, které stříhají (nukleázy) nebo rozvolňují (helikázy) dvoušroubovici DNAJansen R, Embden JD, Gaastra W, Schouls LM (Mar 2002). "Identification of genes that are associated with DNA repeats in prokaryotes". Molecular Microbiology 43 (6): 1565–75. doi:10.1046/j.1365-2958.2002.02839.x. .open access publication - free to read. V roce 2005, tři nezávislé výzkumné skupiny prokázaly, že některé DNA spacery z CRISPR lokusu jsou odvozeny z fágové a extrachromozomální DNA, jako jsou plazmidy.Pourcel C, Salvignol G, Vergnaud G (March 2005). "CRISPR elements in Yersinia pestis acquire new repeats by preferential uptake of bacteriophage DNA, and provide additional tools for evolutionary studies". Microbiology 151 (Pt 3): 653–663. doi:10.1099/mic.0.27437-0. .Mojica FJ, Díez-Villaseñor C, García-Martínez J, Soria E (February 2005). "Intervening sequences of regularly spaced prokaryotic repeats derive from foreign genetic elements". Journal of Molecular Evolution 60 (2): 174–182. doi:10.1007/s00239-004-0046-3. .Bolotin A, Quinquis B, Sorokin A, Ehrlich SD (August 2005). "Clustered regularly interspaced short palindrome repeats (CRISPRs) have spacers of extrachromosomal origin". Microbiology 151 (Pt 8): 2551–2561. doi:10.1099/mic.0.28048-0. . Spacery byly identifikovány jako fragmenty DNA pocházející z virů, které již dříve napadly danou bakteriální buňku. Původ DNA spacerů byl známkou toho, že by CRISPR/Cas systém mohl hrát roli v adaptivní imunitě bakterií.Horvath P, Barrangou R (2010). "CRISPR/Cas, the immune system of bacteria and archaea". Science 327 (5962): 167–70. Bibcode:2010Sci...327..167H. doi:10.1126/science.1179555. .Morange, M (June 2015). "What history tells us XXXVII. CRISPR-Cas: The discovery of an immune system in prokaryotes". Journal of Biosciences 2 (2): 221–223. doi:10.1007/s12038-015-9532-6. . Koonin a jeho tým navrhli, že DNA spacery slouží jako templáty pro transkripci RNA molekul analogicky systému zvanému RNA interference uplatňovanému v eukaryotických buňkáchPennisi E (August 2013). "The CRISPR craze". News Focus. Science 341 (6148): 833–836. doi:10.1126/science.341.6148.833. . V roce 2007, Barrangou, Horvath (odborníci potravinového průmyslu v Daniscu) a skupina Moineau na Université Laval v Kanadě ukázali, že lze využít spacerovou DNA ke změně rezistence Streptococcus thermophilus vůči útoku fágů.