Yeni algoritma, çevresel DNA’da çok sayıda gen düzenleyici enzim buluyor

Düzenli aralıklı kısa palindromik tekrarların kümelendiği CRISPR, mikrobiyal dünyanın adaptif bağışıklığa cevabıdır. Bakteriler, bizim yaptığımız gibi, patojenler tarafından istila edildiklerinde antikor üretmezler ve daha sonra aynı patojenle tekrar karşılaştıklarında bu antikorları bloke etmezler. Bunun yerine, patojenin DNA’sının bir kısmını kendi genomlarına entegre ediyorlar ve bunu, patojenin DNA dizisini tanımak ve patojen yeniden ortaya çıkarsa onu parçalara ayırmak için kullanabilecekleri bir enzime ekliyorlar.

Kesimi yapan enzime CRISPR’dan sonra Cas adı verilmektedir. Her ne kadar CRISPR-Cas sistemi bakteriyel bir savunma mekanizması olarak gelişmiş olsa da, araştırmacılar tarafından laboratuvar çalışmalarında genetik manipülasyon için güçlü bir araç olarak kullanılmış ve uyarlanmıştır. Ayrıca tarımsal kullanımları da kanıtlandı ve ilk CRISPR tabanlı tedavi, orak hücre hastalığını ve kan nakline bağlı beta-talasemiyi tedavi etmek için Birleşik Krallık’ta onaylandı.

Artık araştırmacılar, CRISPR-Cas benzeri sistemler için genomları aramanın yeni bir yolunu geliştirdiler. Çalışabileceğimiz birçok ek araca sahip olabileceğimizi keşfettiler.

DNA modifikasyonu

Bugüne kadar farklı mikroplarda altı tip CRISPR-Cas sistemi tanımlanmıştır. Detaylarda farklılık gösterseler de hepsi aynı çekiciliğe sahiptir: Proteinleri, genetik materyalin belirli bir dizisine, bugüne kadar teknik olarak zor, pahalı ve zaman alıcı olan bir özgüllük derecesiyle iletirler. Sistemde ilgi duyulan herhangi bir DNA dizisi programlanabilir ve hedeflenebilir.

Mikroplardaki doğal sistemler tipik olarak diziye bir ekzonükleaz (DNA’yı parçalayan bir enzim) getirerek patojenlerin genetik materyalini parçalıyor. Bu yetenek, gen düzenleme için seçilen herhangi bir DNA dizisini kesmek için kullanılabilir; Enzimler ve/veya diğer DNA dizileri ile birleştirildiğinde, ek kısa dizilerin eklenmesi veya silinmesi ve mutant genlerin düzeltilmesi için kullanılabilir. Bazı CRISPR-Cas sistemleri DNA yerine spesifik RNA moleküllerini keser. Bazı virüslerin genomları gibi hastalığa neden olan RNA’ları, yerli bakterilerde yok edildiği şekilde ortadan kaldırmak için kullanılabilirler. Bu aynı zamanda RNA işlemedeki kusurları kurtarmak için de kullanılabilir.

Ancak nükleik asitleri değiştirmenin yararlı olabilecek birçok ek yolu vardır. Ek değişiklikler yapan enzimlerin evrimleşip gelişmediği ise açık bir sorudur. Bu yüzden bazı araştırmacılar onları aramaya karar verdi.

MIT’deki araştırmacılar, değişken CRISPR dizilerini tespit etmek için yeni bir araç geliştirdiler ve bunu 8,8 tera (1.012) baz çift prokaryotik genomik bilgiye uyguladılar. Buldukları sistemlerin çoğu nadirdir ve veri setinde yalnızca son 10 yılda ortaya çıkmıştır; bu da, daha önce elde edilmesi zor olan çevresel örnekleri bu veri havuzlarına eklemeye devam etmenin ne kadar önemli olduğunu vurgulamaktadır.

Yeni araca ihtiyaç duyuldu çünkü protein ve nükleik asit dizilerinden oluşan veritabanları inanılmaz bir hızla genişliyor, dolayısıyla tüm bu verileri analiz etme tekniklerinin buna ayak uydurması gerekiyor. Bunları analiz etmek için kullanılan algoritmalardan bazıları, her diziyi diğer dizilerle karşılaştırmaya çalışır; bu, milyarlarca genle uğraşırken açıkça savunulamaz. Diğerleri kümelemeye güvenir, ancak yalnızca oldukça benzer genleri bulurlar, dolayısıyla uzaktan ilişkili proteinler arasındaki evrimsel ilişkilere ışık tutamazlar. Ancak hızlı, konuma duyarlı hashtag tabanlı kümeleme (“flaş birleştirme”) milyarlarca proteini, yeni ve nadir akrabaları tanımlamak için yalnızca biraz farklılık gösteren daha küçük ve daha büyük dizi kümeleri halinde gruplandırarak çalışır.

FLSHclust kullanılarak yapılan bir arama, 188 yeni CRISPR-Cas sistemini başarıyla çıkardı.

Bol miktarda CRISPyness

Çalışmadan bazı temalar ortaya çıktı. Birincisi, yeni tanımlanan CRISPR sistemlerinden bazılarının, daha önce hiç görülmemiş alanlara sahip Cas enzimlerini kullanması veya bilinen genlerle füzyon gibi görünmesidir. Bilim adamları ayrıca bu enzimlerden bazılarını tanımladılar ve birinin şu anda kullanımda olan CRISPR enzimlerinden daha spesifik olduğunu ve önerdikleri kesilmiş RNA’nın tamamen yeni bir tip 7 CRISPR-Cas sistemini içerecek kadar yapısal olarak farklı olduğunu buldular.

Bu konunun bir sonucu, sadece nükleazları (DNA ve RNA’yı kesen enzimler) değil, farklı işlevlere sahip enzimleri CRISPR dizileriyle bağlamaktır. Bilim adamları, CRISPR’ın, floresan boyalar gibi diğer enzim ve molekül türlerine bağlayarak genleri hedefleme konusundaki olağanüstü yeteneğinden yararlandı. Ama görünüşe göre evrim oraya ilk önce ulaştı.

Örneğin FLSHclust, iki farklı CRISPR sistemi türüyle ilişkili, transpozaz adı verilen bir şeyi tanımladı. Transpozaz, DNA’nın belirli bir kısmının genomun başka bir kısmına aktarılmasına yardımcı olan bir enzimdir. CRISPR RNA’ya yönelik dönüşüm daha önce görüldü ancak bu da bunun bir başka örneği. Transmembran alanlarına ve sinyal moleküllerine sahip proteinler gibi farklı işlevlere sahip bir dizi proteinin, CRISPR dizileriyle ilişkili olduğu bulunmuştur; bu, bu sistemlerin evriminin karıştır ve eşleştir doğasını vurgulamaktadır. Hatta, CRISPR dizilerine bağlanan ve onları etkisiz hale getiren bir virüs tarafından ifade edilen bir protein bile buldular; virüs, virüslere karşı koruma sağlamak üzere gelişen CRISPR sistemini esasen devre dışı bırakıyor.

Araştırmacılar sadece CRISPR dizileriyle ilişkili yeni proteinler bulmakla kalmadı, aynı zamanda herhangi bir Cas enzimiyle ilişkili olmayan, CRISPR’ye benzer ancak CRISPR’ye benzemeyen, düzenli aralıklı başka tekrar dizileri de buldular. Bu RNA güdümlü sistemlerin işlevinden emin değiller ancak tıpkı CRISPR gibi savunmada görev aldıklarını tahmin ediyorlar.

Yazarlar, “bu sistemlerin biyolojisi ve evrimi hakkındaki anlayışımızı genişleten ve yeni biyoteknolojilerin gelişimi için bir başlangıç ​​noktası sağlayan RNA rehberli proteinlerin bir listesini” bulmak için yola çıktılar. Ve hedeflerine ulaşmış gibi görünüyorlar: “Bu çalışmanın sonuçları, CRISPR sistemlerinin benzeri görülmemiş düzenleyici ve işlevsel esnekliğini ve modülerliğini ortaya koyuyor” diye yazıyorlar ve şu sonuca varıyorlar: “Bu, keşfedilen sistemlerin yalnızca küçük bir kısmını temsil ediyor, ancak Dünya’nın biyolojik çeşitliliğinin henüz kullanılmamış potansiyelinin genişliğini vurguluyor.” , Dünya’nın biyolojik çeşitliliği ve geri kalan adaylar gelecekteki araştırmalar için bir kaynak görevi görecek.

Makale DOI’si: 10.1126/science.adi1910