Anar al contingut

CRISPR

De L'Enciclopèdia, la wikipedia en valencià
Erro al crear miniatura:
CRISPR
Diagrama del possible mecanisme dels CRISPR.[1]

CRISPR (en anglés: Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, en espanyol: repeticions palindrómiques curtes agrupades i regularment interespaciadas[2]) és una família de seqüències d'ADN d'orige viral que es troben integrades en el genoma dels organismes procariota. Dites seqüències consistixen en fragments de ADN de virus bacteriòfecs que han infectat a bactèries i estoves en el passat i que estes han inclós en el seu propi genoma. Estos fragments són utilisats per la cèlula procariota en el futur per a detectar i destruir el material genètic de virus infecciosos similars per mig de proteïnes que, en base en les seqüències integrades d'atacs anteriors, reconeixen i tallen el nou ADN viral deixant-ho inutilisat, funcionant com un sistema inmunitario de defensa procariota eficaç i altament específic. Ademés de jugar un paper clau en els sistemes de defensa bacterians, estes seqüències varen formar la base d'una revolucionària tecnologia de vanguarda coneguda com CRISPR/Cas, que és capaç de modificar els gens de qualsevol organisme utilisant una família d'enzimes en activitat endonucleasa associades a CRISPR conegudes com Cas, tal com la Cas9 del sistema CRISPR/Cas9.

En térmens més tècnics, els apanys CRISPR són loci d'ADN que contenen repeticions curtes de seqüències de bases. Despuix de cada repetició seguixen segments curts de "ADN espayador" provinent d'exposicions prèvies a un virus.[3] Es troben en aproximadament el 40% dels genomes bactèrianos i en el 90% dels genomes secuenciados de les estoves.[4][5] En freqüència es troben associats en els gens cas que codifiquen per a proteïnes nucleases conegudes com Cas relacionades en els CRISPR. El sistema CRISPR/Cas és un sistema inmunitario procariótico que conferix resistència a agents externs com plásmidos i bacteriòfecs[6][7] i proveïx una forma d'immunitat adquirida. Els espayadors dels CRISPR reconeixen seqüències específiques i guien a les nucleasas Cas per a tallar i degradar eixos elements gènics exógenos d'una manera anàloga al ARNi en sistemes eucarióticos.[3]

Des de 2013 el sistema CRISPR/Cas s'ha utilisat per a l'edició de gens (agregant, interrompent o canviant les seqüències de gens específics) i per a la regulació gènica en vàries espècies.[8] En administrar la proteïna Cas9 i els ARN guia apropiats a una cèlula, el genoma d'esta pot tallar-se en els llocs desijats, les seqüències dels quals seran complementàries a les dels ARN guia utilisats. Açò permet l'eliminació funcional de gens o l'introducció de mutacions (despuix de la reparació del brot realisat per la maquinària celular de reparació del ADN) per a estudiar els seus efectes. Modificacions recents del sistema CRISPR/Cas9 permeten també actuar sobre la transcripció dels gens, modificant aixina solament el seu nivell de funcionament, pero no l'informació genètica. Els investigadors plantegen que els CRISPRs potser puguen usar-se per a construir sistemes d'entrega de gens guiats per ARN que apleguen a alterar els genomes de poblacions sanceres.[9]

Antecedents

Les bactèries poden incorporar ADN extern en atres circumstàncies i inclús poden prendre ADN danyat del seu mig.[10]

Les seqüències repetides que després es coneixerien com CRISPR varen ser identificades per primera volta per un grup de científics japonesos en 1987 (Yoshizumi Ishino et al).[11][12] i després més tart de forma independent pel científic Francisco J. M. Mojica (Universitat d'Alacant) a principis dels anys 90 en una estova Haloferax mediterranei i els resultats varen ser publicats en 1993,[13] despuix d'haver segut anteriorment descrites en bactèries (Escherichia coli[12] i Mycobacterium bovis[14]). Inicialment varen ser utilisades per al tipado de bactèries, per a diferenciar distints aïllats, ceps i espècies.[15] Estudis inicials per Francisco J. M. Mojica i colaboradors varen postular el possible paper d'estes seqüències en la partició de replicones.[16] En l'any 2000, Francisco J. M. Mojica i colaboradors varen detectar un gran número d'estes seqüències repetides en bactèries, estoves i mitocondrias i varen propondre el nom de Short Regularly Spaced Repeats (SRSR, en castellà "Repeticions Curtes Regularment Espayades".[17] Pocs anys despuix, Francisco J. M. Mojica va propondre i va falcar l'acrònim CRISPR (de l'anglés: Clustered Regularly Interspaced Short Palyndromic Repeats), proposta que va quedar recollida en una publicació de microbiòlecs holandesos en 2002[18] i que seria utilisada universalment des de llavors per a referir-se a estes seqüències. També, en la mateixa publicació, es va descriure per volta primera un conjunt de gens, alguns dels quals codifiquen nucleases o helicases putativas, associats a les seqüències repetides CRISPR (els gens cas o associats a CRISPR: de l'anglés: CRISPR associated).[18]

Diagrama simplificat d'un locus CRISPR, a on es mostren els seus tres components majoritaris: els gens cas, una seqüència líder i un apany de repeticions-espayadors. les repeticions es mostren com a caixes grises i els espayadors són les barres de color. L'apany d'eixos tres components no sempre és com es mostra.[1][3] Ademés, en el mateix genoma poden presentar-se varis CRISPRs en un DR similar, dels quals solament un estiga associat en els gens cas.[5]

En 2005, tres grups d'investigació independents varen mostrar que alguns dels espayadors dels CRISPRs es deriven de diverses fonts de ADN com ADN de fagos i ADN extracromosomal com els plásmidos.[19][20] Novament va ser el grup de Francisco J. Mojica qui primer es va donar conte de que les seqüències CRISPR i els espayadors associats podien formar part d'algun sistema immune propi d'estos microorganismes procarióticos, qui primer va establir la relació entre CRISPR i immunitat.[21] Eixes observacions clau indiquen que el sistema CRISPR/cas pot tindre un rol en l'immunitat adaptativa en les bactèries.[1] Koonin i els seus associats[22] varen propondre que els espayadors servixen com a plantilla per a molècules de ARN, anàlec a un sistema que usen els eucarionte cridat interferència per ARN.

En 2007 Barrangou, Horvath (científics de l'indústria alimentícia en Danisco) i el grup de Moineau en l'Université Laval (Canadà) varen mostrar que podien alterar la resistència de Streptococcus thermophilus a atacs de fagos en ADN espayador.[22]

Cas9

Jennifer Doudna i Emmanuelle Charpentier, guanyadores del Premi Nobel de Química 2020, junt en Francisco Juan Martínez Mojica, havien estat explorant de manera independent a les proteïnes associades a CRISPR per a deprendre cóm les bactèries utilisen als espayadors en els seus sistemes immunes. Junts varen estudiar un sistema CRISPR més simple que es basa en una proteïna anomenada Cas9. Varen trobar que les bactèries responen davant un fago invasor al transcribir espayadors i ADN palindrómico en una llarga molècula de ARN i que llavors la cèlula utilisava un ARN cridat Trans-activating crRNA (tracrRNA) i també Cas9 per a tallar-la en péntols cridats ARNcr.[22]

Cas9 és una nucleasa, una enzima especialisada en tallar ADN, en dos llocs de brot actius (HNH i RuvC), un per a cada bri de la doble hèliç. L'equip va demostrar que podrien desactivar un o abdós llocs preservant l'habilitat de Cas9 de ser específic per al seu ADN objectiu. Jinek va combinar al tracrRNA i ARN espayador per a formar una molècula anomenada single-guide RNA que, en combinar-se en Cas9, podia trobar i tallar els blancs correctes de ADN. Jinek va propondre que estos ARN guia sintètics podrien usar-se per a l'edició de gens.[22]

La primera volta que es va mostrar que CRISPR funcionava com una ferramenta d'ingenieria genètica en cultius de cèlules humanes va ser en 2012.[23][24] Des de llavors s'ha utilisat en molts organismes, inclosa la rent del pa (Saccharomyces cerevisiae),[25] el peix zebra (Danio rerio),[26] la mosca de la fruta (Drosophila melanogaster),[27] nematodos (Caenorhabditis elegans)[28] plantes[29] i rates,[30] entre uns atres.

Adicionalment, CRISPR ha segut modificada per a fer factors de transcripció programables que permeten als científics silenciar o activar certs gens.[31]

Existixen ara llibreries en decenes de mils d'ARN guia.[22]

La primera evidència de que CRISPR pot revertir síntomes de malaltia en organismes vius va ser demostrada en març de 2014, quan investigadors del MIT varen curar a rates de desórdens genètics del fege.[32]

Cas12a (anteriorment Cpf1)

En 2015, la nucleasa Cpf1 es va descobrir en el sistema CRISPR/Cpf1 de la bactèria Francisella novicida.[33][34] Cpf1 va mostrar vàries diferències claus de Cas9 incloent: causant un brot 'escalonat' en el ADN de doble bri, en oposició al brot 'brusc' produït per Cas9, basant-se en un PAM ric en T (proporcionant llocs d'orientació alternatius a Cas9) i requerint solament Un CRISPR ARN (CRRNA) per a l'èxit de l'orientació. Pel contrari Cas9 requerix tant crARN i un crARN trans activat (tracrRNA)).

Actualment esta nucleasa rep el nom de Cas12a, i presenta algunes variants en funció de l'organisme d'orige, entre les que es troben AsCas12a (present en la bactèria Acidaminococcus), i LbCas12a (present en Lachnospiraceae bacterium). Ademés, en esta última variant es va descobrir una mutació puntual, D156R, que representa la substitució de l'aminoàcit àcit aspártico per arginina en la posició 156 de la proteïna. Cas12aD156R mostra un aument en l'eficiència de brot en el model vegetal Arabidopsis thaliana, similar al que despuix es va corroborar en D. melanogaster, generant una eficiència en la taxa d'edició gènica pròxima a l'observada en Cas9.[35]

CasΦ

Es tracta d'una nucleasa hipercompacta descrita en 2020 que representa la mitat del pes molecular de Cas9/Cas12 i en característiques similars en la seua utilisació com a ferramenta per a l'edició gènica.[36] Ademés, s'ha adaptat de forma exitosa a l'edició in viu en Drosophila melanogaster de forma precisa sense generar corts en el ADN de doble cadena.[37]

Predecessors per a edició gènica

A l'inici de la década dels 2000, investigadors varen desenrollar les nucleasas en dits de zinc, proteïnes sintètiques les regions de les quals d'unió a ADN els permetien tallar el ADN en punts específics. Despuix, les nucleasas sintètiques cridades TALENs varen donar una via més senzilla per a aplegar a ADN específic i es va predir que sobrepassarien a les dels dits de zinc. Abdós depenen de l'elaboració de proteïnes específiques per a cada ADN objectiu, un procediment prou més complicat que els ARN guia. Els CRISPRs són més eficients i poden aplegar a més gens que abdós tècniques.[38]

Primera edició gènica comunicada en juliol de 2017

El 12 de juliol de 2017 la revista britànica Nature va comunicar un treball rebut el 22 d'agost de 2016, comunicant que investigadors de l'Universitat d'Harvard varen modificar en el genoma d'un grup de bactèries, per mig de curta-pega o copipasteo genètic conseguit en la tècnica CRISPR, l'informació digital d'una fotografia i un GIF o animació curta. Despuix secuenciaron el ADN dels microorganismes per a recuperar l'image i el video en una precisió del 90%.[39] L'alvanç va atraure nou interés científic en el camp de la ‘gravació molecular’ i en particular conjectura, segons pareix prematures i inexactas, sobre la memorisació en sistemes accedits des d'un psiquisme.

Estructura del locus

Repeticions i espayadors

Els loci de CRISPR van de 24 a 48 parells de bases.[40] Les repeticions estan separades per espayadors de llongitut similar.[40] Algunes seqüències espaciadoras de CRISPR són complementàries a les dels plásmidos i fagos,[19][21][20] encara que alguns espayadors es complementen en el genoma procarionte (espayadors autoreplicativos).[19][41] Poden afegir-se ràpidament espayadors nous com a resposta a una infecció per un fago.

Gens cas i subtipos de CRISPR

Els gens associats a CRISPR, cridats cas, són gens freqüentment relacionats en els apanys de repeticions CRISPR. Anàlisis extensius de genómica comparativa han identificat a molts gens cas diferents; un anàlisis inicial de 40 genomes de bactèries i estoves va sugerir que podria haver 45 famílies de gens cas, en sol dos gens, cas1 i cas2, sent omnipresents.[40] El sistema actual de classificació de CRISPR agrupa als operones en cas en tres grups majors, cada u en múltiples subdivisions basades en filogenia de cas1 i en el complement de l'operón del gen cas.[42] A banda de cas1 i cas2, les tres divisions majors tenen conjunts molt diferents de gens constitutius, en cada una de les divisions contenint un ‘gen característic’ trobat exclusivament en eixa subdivisió. Molts organismes contenen múltiples sistemes CRISPR-Cas sugerint que són compatibles i inclús podrien compartir elements.[43] La distribució esporàdica dels subtipos de CRISPR/Cas sugerix que el sistema està subjecte a la transferència genètica horisontal durant l'evolució microbiana.

Gens característics i les seues funcions putativas per als tipos majors i menors de CRISPR-Cas
Tipo Cas Gen característic Funció Referència
I Cas3 Nucleasa per a ADN de cadena senzilla. Helicasa depenent de ATP [44]
IA Cas8a Subunidad del mòdul d'interferència
IB Cas8b
IC Cas8c
ID Cas10d Conté un domini homòlec al domini de les polimerasa d'àcits nucleicos i ciclasas de nucleòtits [42][45]
IE Cse1
IF Csy1 Indeterminat
II Cas9 Les nucleases RuvC and HNH, juntes, produïxen corts en cadena doble, i de manera separada poden produir corts en cadena senzilla
IIA Csn2 Indeterminat
IIB Cas4 Indeterminat
IIC Caracterisat per l'absència ya siga de Csn2 o Cas4 [46]
III Cas10 Homòlec de Cas10d i Cse1 [45]
IIIA Csm2 Indeterminat
IIIB Cmr5 Indeterminat

Referències

  1. ↑ 1,0 1,1 1,2 (2010).«CRISPR/Cas, the Immune System of Bactèria and Archaea».Science.327(5962)
    167–170.doi:10.1126/science.1179555.
  2. ↑ «Flores, J. (2016, giner 5). Els orígens bacterians de l'edició del genoma. La Jornada, secció Ciències, p. 3a, suplement La Jornada de enmedio. Mèxic: DEMOS. (Consultat 6 de giner del 2016)». Consultat el 5 d'abril de 2017.
  3. ↑ 3,0 3,1 3,2 Marraffini LA, Sontheimer EJ«CRISPR interference: RNA-directed adaptive immunity in bactèria and archaea».Nature Reviews Genetics.11(3)
    181–190.doi:10.1038/nrg2749.
  4. ↑ CRISPRdb 71/79 Archaea, 463/1008 Bactèria [1] archivat en Wayback Machine., Dona't: 19.6.2010
  5. ↑ 5,0 5,1 (2007).«The CRISPRdb database and tools to display CRISPRs and to generate dictionaries of spacers and repeats».BMC Bioinformatics.8doi:10.1186/1471-2105-8-172.
  6. ↑ (2007).«CRISPR Provides Acquired Resistance Against Viruses in Prokaryotes».Science.315(5819)
    1709–1712.doi:10.1126/science.1138140.
  7. ↑ (2008).«CRISPR interference limits horisontal gene transfer in staphylococci by targeting DNA.».Science.322(5909)
    1843-5.
  8. ↑ Mali P, Esvelt KM, Church GM(2013).«Cas9 as a versatile tool for engineering biology».Nature methods.10(10957-63)
  9. ↑ (2014).«Concerning RNA-guided gene drives for the alteration of wild populations».eLife.doi:10.7554/eLife.03401.
  10. ↑ 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.(2013).«Bacterial natural transformation by highly fragmented and damaged DNA».Proc Natl Acad Sci O S A..110(49)
    19860-5.
  11. ↑ http://jb.asm.org/content/169/12/5429.long Nucleotide Sequence of the iap Gene, Responsible for Alkaline Phosphatase Isozyme Conversion in Escherichia coli, and Identification of the Gene Product
  12. ↑ 12,0 12,1 Ishino I, Shinagawa H, Makino K, Amemura M, Nakata A.(1987).«Nucleotide sequence of the iap gene, responsible for alkaline phosphatase isozyme conversion in Escherichia coli, and identification of the gene product.».J Bacteriol..169(12)
    5429-33.
  13. ↑ «Transcription at different salinities of Haloferax mediterranei sequences adjacent to partially modified PstI sites».Molecular Microbiology.9(3)
    613-621.ISSN 0950-382X.Consultat el 20 de giner de 2016.
  14. ↑ «Insertion element IS987 from Mycobacterium bovis BCG is located in a hot-espot integration region for insertion elements in Mycobacterium tuberculosis complex strains».Infection and Immunity.59(8)
    2695-2705.ISSN 0019-9567.Consultat el 20 de giner de 2016.
  15. ↑ «Nature of DNA polymorphism in the direct repeat cluster of Mycobacterium tuberculosis; application for strain differentiation by a novell typing method».Molecular Microbiology.10(5)
    1057-1065.ISSN 0950-382X.Consultat el 20 de giner de 2016.
  16. ↑ «Long stretches of short tandem repeats llaure present in the largest replicons of the Archaea Haloferax mediterranei and Haloferax volcanii and could be involved in replicon partitioning».Molecular Microbiology.17(1)
    85-93.ISSN 0950-382X.Consultat el 20 de giner de 2016.
  17. ↑ Mojica FJ, Díez-Villaseñor C, Soria I, Juge G.(2000).«Biological significance of a family of regularly spaced repeats in the genomes of Archaea, Bactèria and mitochondria».Mol Microbiol.36(1)
  18. ↑ 18,0 18,1 Jansen R, Embden JD, Gaastra W, Schouls LM(2002).«Identification of gens that llaure associated with DNA repeats in prokaryotes».Mol Microbiol.43(6)
    1565-75.
  19. ↑ 19,0 19,1 19,2 Pourcel C, Salvignol G, Vergnaud G.(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)
  20. ↑ 20,0 20,1 Bolotin A, Quinquis B, Sorokin A, Ehrlich SD(2005).«Clustered regularly interspaced short palindrome repeats (CRISPRs) have spacers of extrachromosomal origin».Microbiology.151(Pt 8)
  21. ↑ 21,0 21,1 «Intervening sequences of regularly spaced prokaryotic repeats derive from foreign genetic elements».Journal of Molecular Evolution.60(2)
    174-182.ISSN 0022-2844.doi:10.1007/s00239-004-0046-3.Consultat el 20 de giner de 2016.
  22. ↑ 22,0 22,1 22,2 22,3 22,4 Pennisi I(2013).«The CRISPR craze».Science.341(6148)
  23. ↑ Jinek M, Chylinski K, Fonfara I, Hauer M, Doudna JA, Charpentier I(2012).«A programmable dual-RNA-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity».Science.337(6096)
  24. ↑ «CRISPR gene therapy: Scientists call for more public debat around breakthrough technique - Science - News"».
  25. ↑ DiCarlo JE, Norville JE, Mali P, Rios X, Aach J, Church GM(2013).«Genome engineering in Saccharomyces cerevisiae using CRISPR-Cas systems».Nucleic Acids Res.41(7)
  26. ↑ Hwang WY, Fu I, Reyon D, Maeder ML, Tsai SQ, Sander JD, Peterson RT, Yeh JR, Joung JK(2013).«Efficient genome editing in zebrafish using a CRISPR-Cas system».Nat Biotechnol.31(3)
  27. ↑ Gratz SJ, Cummings AM, Nguyen JN, Hamm DC, Donohue LK, Harrison MM, Wildonger J, O'Connor-Giles KM(2013).«Genome engineering of Drosophila with the CRISPR RNA-guided Cas9 nuclease».Genetics.194(4)
    1029-35.
  28. ↑ Friedland AE, Tzur YB, Esvelt KM, Colaiácovo MP, Church GM, Calarco JA(2013).«Heritable genome editing in C. elegans via a CRISPR-Cas9 system».Nat Methods.10(8)
  29. ↑ Jiang W, Zhou H, Bi H, Fromm M, Yang B, Weeks DP(2013).«Demonstration of CRISPR/Cas9/sgRNA-mediated targeted gene modification in Arabidopsis, tobacco, sorghum and rulle».Nucleic Acids Res.41(20)
  30. ↑ Wang H, Yang H, Shivalila CS, Dawlaty MM, Cheng AW, Zhang F, Jaenisch R(2013).«One-step generation of mice carrying mutations in multiple gens by CRISPR/Cas-mediated genome engineering».Cell.153(4)
  31. ↑ Larson MH, Gilbert LA, Wang X, Lim WA, Weissman JS, Qi LS(2013).«CRISPR interference (CRISPRi) for sequence-specific control of gene expression».Nat Protoc.8(11)
  32. ↑ «Researchers reverse a liver disorder in mice by correcting a mutated gene». PhysOrg. Consultat el 31 de març de 2014.
  33. ↑ Zetsche B«Cpf1 is a single RNA-guided endonuclease of a class 2 CRISPR-Cas system».Cell.163(3)
    759–71.doi:10.1016/j.cell.2015.09.038.
  34. ↑ Fonfara I«The CRISPR-associated DNA-cleaving enzyme Cpf1 also processes precursor CRISPR RNA».Nature.532(7600)
    517–21.doi:10.1038/nature17945.
  35. ↑ «Expanding the horizons of genome editing in the fruit fly with Cas12a».117(39)
    24019-24021.doi:10.1073/pnas.2016446117.Consultat el 18 de giner de 2021.
  36. ↑ «CRISPR-CasΦ from huge phages is a hypercompact genome editor».369(6501)
    333-337.doi:10.1126/science.abb1400.Consultat el 25 de giner de 2021.
  37. ↑ «Precise genome engineering in Drosophila using prime editing».118(1)doi:10.1073/pnas.2021996118.Consultat el 25 de giner de 2021.
  38. ↑ «CRISPR and Other Genome Editing Tools Boost Medical Research and Gene Therapy’s Reach &#; MIT Technology Review». Technologyreview.com. Archivat des d'el original, el 12 de giner de 2016. Consultat el 13 d'abril de 2014.
  39. ↑ «CRISPR–Cas encoding of a digital movie into the genomes of a population of living bactèria». Nature. Consultat el 16 de juliol de 2017.
  40. ↑ 40,0 40,1 40,2 Haft DH, Selengut J, Mongodin EF, Nelson KE(2005).«A guild of 45 CRISPR-associated (Cas) protein families and multiple CRISPR/Cas subtypes exist in prokaryotic genomes».PLoS Comput Biol.1(6)
  41. ↑ Stern A, Keren L, Wurtzel O, Amitai G, Sorek R(2010).«Self-targeting by CRISPR: gene regulation or autoimmunity?».Trends Genet.26(8)
    335-40.
  42. ↑ 42,0 42,1 Chylinski K, Makarova KS, Charpentier I, Koonin EV(2014).«Classification and evolution of type II CRISPR-Cas systems».Nucleic Acids Res.42(10)
  43. ↑ «RNA-guided genetic silencing systems in bactèria and archaea.».Nature.482(7385)
    331-8.
  44. ↑ Sinkunas T, Gasiunas G, Fremaux C, Barrangou R, Horvath P, Siksnys V(2011).«Cas3 is a single-stranded DNA nuclease and ATP-dependent helicase in the CRISPR/Cas immune system».EMBO J.30(7)
  45. ↑ 45,0 45,1 Makarova KS, Aravind L, Wolf YI, Koonin EV(2011).«Unification of Cas protein families and a simple scenario for the origin and evolution of CRISPR-Cas systems».6
  46. ↑ Chylinski K, Li Rhun A, Charpentier I(2013).«The tracrRNA and Cas9 families of type II CRISPR-Cas immunity systems».RNA Biol.10(5)
Obtingut de «https://lenciclopedia.org/w/index.php?title=CRISPR&oldid=1497628»