CRISPR

Palindromai DNR: A– palindromas, B – žiedas, C – stiebas

CRISPR (angl. Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, 'taisyklingai pertraukti trumpi susitelkę palindrominiai pasikartojimai') – bakterijų apsaugos nuo bakteriofagų ir plazmidžių DNR sistema, veikianti panašiai kaip eukariotinių organizmų imuniteto sistema. CRISPR sistemos yra plačiai paplitusios ir randamos tiek prokariotiniuose organizmuose, tiek archėjose. CRISPR pirmiausia buvo nustatytas kaip natūralus bakterijų ir archėjų apsaugos nuo virusų įsiveržimo barjeras. „Svetimo” bakteriofago ar plazmidės DNR atpažinimo mechanizmas šiuo metu nėra išaiškintas.

CRISPR pirmą kartą atrastas ir aprašytas 1987 m., tačiau tyrimai ir pritaikymo galimybių paieška biotechnologijų ir medicinos srityse suintensyvėjo apie 2013 m.

Antivirusinė sistema

Kaip žmonės turi imunitetą, padedantį kovoti organizmui su virusais, taip neseniai atrasta ir bakterijų imuninė sistema. Nors ji labai skiriasi nuo žmonių imuninės sistemos, tačiau ji taip pat apsaugo organizmą nuo pavojingų svetimkūnių. Bakterijos apsaugai nuo virusų naudoja CRISPR/Cas (CRISP associated) sistemą. Ji yra sudaryta iš specifinės DNR sekos, vadinamos CRISPR lokusu, ir Cas genų, nuo kurių sintetinami Cas baltymai. CRISPR lokuse tarp bakterinės DNR yra ir viruso DNR gabaliukų. Jų išsidėstymas nėra atsitiktinis – virusinės DNR gabaliukai dėliojami pakaitomis su bakterine DNR, todėl sistema ir pavadinta taisyklingai pertrauktais palindrominiais pasikartojimais.

Kai virusas atakuoja bakterijos ląstelę, į ją patenka virusinė DNR. Svetimoje viruso DNR yra speciali seka, kurią bakterijos baltymai atpažįsta ir iškerpa. Jei bakterija išgyvena viruso ataką, ji įgyja imunitetą. Kai virusas bando antrąkart užvaldyti tokią bakteriją, jos ląstelėje įsijungia mechanizmai, kurių dėka nuo DNR nukopijuojama skirtukų ir pasikartojimų seka, bakterinių baltymų sukarpoma iki mažų gabaliukų, kurių sekos atitinka skirtukų, t. y. infekavusių virusų DNR gabaliukų, sekas. Virusinėje DNR jos suskaidomos, todėl virusas nebepadaro bakterijai žalos.

Skirtingos bakterijos gali turėti kelių skirtingų tipų CRISPR/Cas sistemas, kurios skiriasi Cas baltymais ir jų funkcijomis kitose bakterijose. Tyrimais nustačius jų veikimo principus, buvo pereita ir prie sudėtingesnių – žinduolių ląstelių. Atakuojant virusams jos iškart pajunta, kad DNR kažkas nutiko – įsijungia DNR taisymo mechanizmai. Vieno iš jų metu galima ląstelei pateikti naują DNR seką, ir ji bus įstatyta trūkio vietoje.

Lietuvoje CRISPR/Cas sistemos tiriamos Vilniaus universiteto Biotechnologijos instituto Baltymų-nukleorūgščių sąveikos tyrimų skyriuje (vad. prof. dr. Virginijus Šikšnys).

Technologijos ateitis

Be CRISP neapseinama vėžio ir kamieninių ląstelių tyrinėjimuose, vystymosi biologijoje bei neurobiologijoje. Kitas naudingas CRISPR/Cas sistemų pritaikymas – kovai su antibiotikams atspariomis, infekcijas sukeliančiomis bakterijomis. Galbūt ateityje bus galima CRISPR/Cas sistemas pritaikyti net AIDS gydymui.

Modelinėse sistemose CRISPR sėkmingai taikomas, tad ateityje tai bus galima panaudoti „blogiems“ genams taisyti ir genetinėms ligoms gydyti. Vietoje geno su mutacijomis, dėl kurio išsivysto liga, į ląsteles įvedus Cas9-RNR kompleksą ir sveiką geno kopiją, šis turėtų atsirasti genome vietoje mutuoto, ir žmogus turėtų pasveikti. Kol kas gydymui Cas9-RNR kompleksai dar nėra taikomi, nes reikalinga daugybė tyrimų, pvz., nustatyti kompleksų specifiškumui (ar nekerpa DNR ten, kur nereikia) ar efektyviausiam pristatymui į ląsteles.

Naudojant naujausias molekulines CRISPR/Cas technologijas, jau yra bandoma tiesiogiai gydyti genetinius defektus. Iki šiol genų terapija daugiausia rėmėsi netobulais genomo taisymo metodais, rizikingais daugeliui pacientų, dažnai panaudojant modifikuotus virusus, įterpiančius DNR atsitiktinėse genomo vietose. Naujojo metodo dėka galima pakeisti bet kurią norimą DNR molekulės dalį. CRISPR gali būti naudojamas tiksliam bet kurio genomo regiono paveikimui DNR karpančiu fermentu Cas9. Naujoji technologija turėtų suteikti galimybę taisyti rimtus genetinius sutrikimus bet kurioje žmogaus vystymosi iš spermatozoido ir kiaušialąstės, IVF embrionuose, iki pat negrįžtamų susirgimo stadijų.

Nuorodos

• CRISPR duomenų bazė
• VU Biotechnologijos institutas. CRISPR/Cas sistemų struktūros ir molekulinių mechanizmų tyrimai Archyvuota kopija 2016-08-13 iš Wayback Machine projekto.
• CRISPR/Cas sistemos – nuo bakterijų imuniteto iki genomų redagavimo Archyvuota kopija 2015-12-08 iš Wayback Machine projekto.
• Genų inžinerija Lietuvoje: ko tikėtis?