De “schatkamer” van nieuwe CRISPR-systemen belooft genoombewerking

By | November 24, 2023

Het CRISPR-Cas9-systeem (foto) wordt gebruikt om specifieke DNA-sequenties te vinden en te knippen.Fotocredit: Carlos Clarivan/Science Photo Library

CRISPR-Cas9 is vooral bekend als een laboratoriumhulpmiddel voor het bewerken van DNA, maar de natuurlijke functie ervan is om deel uit te maken van het immuunsysteem dat micro-organismen helpt virussen te bestrijden. Nu hebben onderzoekers een algoritme gebruikt om miljoenen genomen te doorzoeken om nieuwe, zeldzame soorten CRISPR-systemen te vinden die uiteindelijk kunnen worden omgezet in hulpmiddelen voor het bewerken van genoom.

“We zijn simpelweg verbaasd over de diversiteit van CRISPR-systemen”, zegt Feng Zhang, biochemicus aan het Massachusetts Institute of Technology in Cambridge en co-auteur van een artikel van 23 november in Wetenschap waarin de systemen worden beschreven1. “Door deze analyse kunnen we in zekere zin twee vliegen in één klap slaan: biologie studeren en mogelijk nuttige dingen vinden.”

Eencellige bacteriën en archaea gebruiken CRISPR-systemen om zichzelf te verdedigen tegen virussen die bacteriofagen worden genoemd. De systemen bestaan ​​over het algemeen uit twee delen: “gids-RNA”-moleculen die faag-DNA of RNA herkennen en eraan binden, en enzymen die het genetische materiaal op de door het gids-RNA aangegeven plaats knippen of anderszins knippen, verstoren.

Eerder hadden onderzoekers zes soorten CRISPR-systemen geïdentificeerd, I-VI genoemd. Deze hebben verschillende eigenschappen, waaronder het type enzym dat wordt gebruikt en de manier waarop ze RNA of DNA herkennen, eraan binden en knippen. Het CRISPR-Cas9-systeem dat gewoonlijk voor genetische manipulatie wordt gebruikt, is geclassificeerd als Type II, maar de eigenschappen van andere CRISPR-typen kunnen ze bruikbaar maken voor andere toepassingen.

Soortgelijke reeksen

Om verschillende CRISPR-systemen in de natuur te vinden, ontwikkelden Zhang, MIT-bio-ingenieur Han Altae-Tran en hun collega’s een algoritme genaamd FLSHclust dat genetische sequenties in openbare databases analyseert. Deze databases bevatten honderdduizenden genomen van bacteriën en archaea, honderden miljoenen sequenties die niet aan een specifieke soort zijn gekoppeld, en miljarden genen die voor eiwitten coderen. FLSHclust vond CRISPR-geassocieerde genen door te zoeken naar overeenkomsten tussen genetische sequenties en deze in ongeveer 500 miljoen clusters te groeperen.

Door de voorspelde functie van de clusters te onderzoeken, vonden de onderzoekers ongeveer 130.000 genen die op de een of andere manier geassocieerd waren met CRISPR, waarvan er 188 nog nooit eerder waren gezien, en testten ze er een aantal in het laboratorium om erachter te komen wat ze doen. Hun experimenten onthullen verschillende strategieën die CRISPR-systemen gebruiken om bacteriofagen aan te vallen, waaronder het afwikkelen van de dubbele DNA-helix en het knippen van DNA op een manier die het mogelijk maakt genen in te voegen of te verwijderen. Ze identificeerden ook ‘anti-CRISPR’ DNA-fragmenten die een faag zouden kunnen helpen de bacteriële afweer te omzeilen.

De nieuwe genen bevatten code voor een volledig onbekend CRISPR-systeem dat zich richt op RNA, dat het team Type VII noemde. Co-auteur Eugene Koonin, bioloog bij het National Center for Biotechnology Information in Bethesda, Maryland, zegt dat het steeds moeilijker wordt om nieuwe CRISPR-systemen te vinden. Type VII – en alle andere soorten die nog niet zijn geïdentificeerd – moeten van nature uiterst zeldzaam zijn, voegt hij eraan toe. ‘Het zal waarschijnlijk een enorme inspanning vergen om de volgende man te vinden.’

Het is moeilijk te zeggen of bepaalde soorten CRISPR-systemen zeldzaam zijn omdat ze over het algemeen niet bruikbaar zijn voor micro-organismen, of dat ze specifiek zijn aangepast aan een organisme dat in een bepaalde omgeving leeft, zegt Christine Pourcel, een microbioloog aan de Universiteit van Paris-Saclay. . Ze voegt eraan toe dat het moeilijk zal zijn om de rol van sommige van de nieuwe systemen te bestuderen, omdat de genetische databases die in het onderzoek worden gebruikt fragmenten van genomen bevatten die niet aan specifieke organismen zijn gekoppeld.

Indrukwekkende opbrengst

Het algoritme zelf is een grote vooruitgang omdat het onderzoekers in staat zal stellen naar andere typen eiwitten van verschillende soorten te zoeken, zegt Chris Brown, een biochemicus aan de Universiteit van Otago in Dunedin, Nieuw-Zeeland. ‘Ik ben onder de indruk van wat ze hebben kunnen doen’, zegt hij.

“Het is een schatkamer voor biochemici”, beaamt Lennart Randau, microbioloog aan de Universiteit van Marburg in Duitsland. De volgende stap, zegt hij, zal zijn om de mechanismen te achterhalen waarmee de enzymen en systemen werken en hoe ze kunnen worden aangepast voor bio-engineering. Brown zegt dat sommige CRISPR-eiwitten DNA willekeurig in stukken hakken en nutteloos zijn voor de techniek. Maar ze zijn zo nauwkeurig in het detecteren van DNA- of RNA-sequenties dat ze goede diagnostische of onderzoeksinstrumenten zouden kunnen zijn.

Het is nog te vroeg om te zeggen of Type VII CRISPR-systemen of een van de andere door FLSHclust geïdentificeerde genen nuttig zullen zijn voor genetische manipulatie, zegt Altae-Tran, maar ze hebben enkele eigenschappen die nuttig zouden kunnen zijn. Type VII bevat bijvoorbeeld zeer weinig genen die gemakkelijk in een virale vector zouden kunnen passen en in cellen zouden kunnen worden geïntroduceerd. Sommige van de andere systemen die het team heeft gevonden, bevatten daarentegen zeer lange gids-RNA’s, waardoor ze mogelijk met ongekende precisie specifieke genetische sequenties kunnen targeten.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *