CRISPR\Cas системы как биотехнологический инструмент
CRISPR/Cas системы - особые локусы бактерий и архей, состоящие из прямых повторяющихся последовательностей. Естественное разнообразие систем CRISPR - фактор, который влияет на понимание происхождения и эволюции приобретенного иммунитета прокариот.
| Рубрика | Биология и естествознание |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 25.02.2019 |
| Размер файла | 8,6 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru
Размещено на http://www.allbest.ru
CRISPR/Cas системы представляют собой особые локусы бактерий и архей, состоящие из прямых повторяющихся последовательностей, которые разделены спейсерами, они выполняют функцию адаптивного иммунитета бактерий и архей.
Все известные системы CRISPR-Cas можно подразделить на два основных класса, 5 типов и 16 подтипов на основании наличия или отсутствия определённых генов, строения оперона, аминокислотных последовательностей белков Cas и механизмов, обеспечивающих работу CRISPR-опосредованного иммунитета [1].
Осенью 2015 года группой исследователей из лаборатории Feng Zhang была продемонстрирована возможность использовать нуклеазу Cpf1, соседа Cas9 по классу (тип V), для осуществления редактирования ДНК. Для функционирования CRISPR\Cpf1 необходима только 1 молекула гидовой РНК (гРНК), в отличие от CRISPR\Cas9, в составе которой должны существовать 2 молекулы. Для распознавания целевого участка ДНК в его составе должны быть PAM последовательности (Protospacer AdjacentMotif), которые определяют место взаимодействия ДНК и редактирующей системы. Cpf1 использует иные PAM последовательности, а также может произвести разрез на большем расстоянии от PAM, что расширяет возможности взаимодействия с различными участками ДНК. Кроме этого, при разрезании Cpf1 участка ДНК, возникают выступающие 5?-концы, которые, в отличие от тупых концов, формирующихся при действии Cas9, позволяют произвести более эффективную достройку нового участка. [2]
бактерия эволюция иммунитет
Табл. 1
|
CRISPR\Cas9 |
CRISPR\Cpf1 |
|||
|
Структура |
2 |
РНК |
1 РНК (crRNA) |
|
|
(crRNA+tracrRNA=gRNA) |
||||
|
Тип разреза |
Острые концы |
Тупые концы (выступающие) |
||
|
PAM |
NGG |
TTN |
Другая потенциально полезная особенность Cpf1 заключается в том, что Cpf1 разрезает таргетную ДНК с дистального конца протоспейсера, вдали от затравочного региона (seed-регион), что может способствовать внесению новых последовательностей ДНК: Cpf1-индуцируемые инсерционно-делеционные мутации будут расположены далеко от таргетного сайта, который таким образом сохранится для последующих этапов Cpf1 разрезания. С Cas9 любые инсерционно-делеционные мутации, возникающие вследствие доминантного пути репарации с помощью негомологичного соединения концов, будут разрушать таргетный сайт, эффективно устраняя возможность вставки новой ДНК в конкретном сайте в этой конкретной клетке. В случае Cpf1 кажется возможной такая ситуация: если первый цикл таргетинга заканчивается инсерционно-делеционной мутацией, то следующий уровень таргетинга может быть исправлен с помощью гомологической репарации. Ожидается, что дальнейшие исследования этой и других стратегий использования Cpf1, и других эффекторов класса 2, помогут найти решения для некоторых трудностей редактирования генома. В мае 2016 была представлена новая система для геномного редактирования, построенная по аналогичному CRISPR\Cas9 принципу гиднуклеаза. Несмотря на общий принцип работы, NgAgo-gDNA имеет ряд значительных отличий. В основе системы - белок Argonaute, выделенный из Natronobacteriumgregoryi, который, как и Cas9, участвует в механизме защиты от чужеродных ДНК у бактерий. Второй элемент - одноцепочечная гидовая ДНК (оцДНК), что также рознит эту систему с CRISPR\Cas, где гидом является РНК. Эта ДНК может состоять из 24 нуклеотидов, в отличии от CRISPR-РНК, лимит которой составляет 20 нуклеотидов, для функционирования системы требуется 5' фосфорилированная оцДНК, крайне редко встречающаяся в клетках человека, к тому же свойством нуклеазы NgAgo является феномен, обозначенный в зарубежной литературе как «преданность одному гиду». Внедрение гДНК возможно только в период, когда в клетке происходит синтез этой нуклеазы, поэтому вероятность нецелевого действия посредством аналогичных присутствующих молекул практически исключена.
Еще одним плюсом является высокая чувствительность к замене даже одного нуклеотида в гидовой последовательности, так как нежелательная нуклеотидная замена может привести к нецелевому разрезу. Экспериментально показано снижение эффективности разрезания участка целевой молекулы до 85%-100% при замене одного нуклеотида.
Фенг Гао с коллегами провели сравнительный анализ эффективности двух систем на гене DYRK1A, количество разрезов, осуществленных CRISPR\Cas9 и NgAgo-gDNA оказалось практически одинаковым (31.97% для NgAgo и 32.2% для Cas9). Тем не менее в участках генов HBA2 и GATA4, c часто встречающимися нуклеотидами гуанином и цитозином, новая система показала себя более эффективной.
На клетках HEK293T успешно протестировано редактирование ДНК с использованием донорского участка, NgAgo-gDNA показала свою эффективность в восстановлении целостности ДНК посредством механизмов гомологичной репарации. Оценка работоспособности системы на клетках линии HeLa, рака груди MCF7, а также миелоидных клетках человека К562 показала наличие вставок-делеций в гене DYRK1A (последствие разрыва цепи ДНК под действием нуклеазы) в 11,2%, 13,7% и 24,8% случаев соответственно, что говорит о работоспособности системы при применении в различных культурах клеток.
Естественное разнообразие систем CRISPR открывает массу возможностей для понимания происхождения и эволюции приобретенного иммунитета прокариот, а также для использования биотехнологических инструментов, способных изменяться. Нет никакого сомнения, что вне уже классифицированного и охарактеризованного разнообразия типов CRISPR/Cas есть другие системы со своими особенностями; эти системы ждут своего открытия и в дальнейшем помогут наращивать темпы редактирования генома, развивать иные области биотехнологии, а также прольют свет на эволюцию этих защитных систем.
Литература
1. Barrangou R. Diversity of CRISPR-Cas immune systems and molecular machines // Genome Biology. -- 2015. -- Глава. 16. -- Стр. 247--257.
2. David Cyranoski. Chinese scientists to pioneer first human CRISPR trial, http://www.nature.com/news/chinese-scientists-to-pioneer-first-human-crispr-trial1.20302
3. Zetsche B., Gootenberg J. S., Abudayyeh O. O., et al. Cpf1 Is a Single RNAGuided Endonuclease of a Class 2 CRISPR-Cas System. Cell. 2015; 163(3), 759 - 71
4. Gao F., Shen X.Z., Jiang F et al. DNA-guided genome editing using the Natronobacteriumgregoryi Argonaute. Nature Biotechnology. 2016; 34: 768-773
5. Karen L. Maxwell. (2017). The Anti-CRISPR Story: A Battle for Survival. Molecular Cell. 68, 8-14.
6. https://biomolecula.ru/articles/anti-crispr-otvet-virusov
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Группа архей как самостоятельный домен живых организмов в природе. Отличия архебактерий от прочих бактерий. Размеры клеток архей. РНК-полимераза архебактерий. Покровы клеток у разных архей, их строение, химический состав и роль в эволюции биосферы.
реферат [23,7 K], добавлен 20.12.2010Ознакомление с разнообразием типов питания прокариот. Способы существования прокариот. Бактерии, окисляющие соединения серы. Группы фотосинтезирующих эубактерий. Основные морфологические типы пурпурных и зеленых бактерий. Бесхлорофилльный фотосинтез.
презентация [2,3 M], добавлен 20.10.2013Прокариоты - доядерные организмы, не обладающие типичным клеточным ядром и хромосомным аппаратом. История открытия и строение бактерий. Экологические функции бактерий. Бактерии как возбудители многих опасных заболеваний. Значение бактерий в природе.
презентация [5,4 M], добавлен 04.09.2011Понятие и принципы классификации прокариот, их разновидности и отличительные признаки. Краткая характеристика и история исследований хемолитотрофных бактерий. Описание бактерий семейства Nitrobacteriaceae, значение в природе процесса нитрификации.
курсовая работа [249,1 K], добавлен 15.08.2015Один из фундаментальных механизмов формирования биологического разнообразия в ходе эволюции. Что такое биологическое разнообразие, теории его происхождения на Земле. Механизмы устойчивости биосферы. Опасность обеднения и пути сохранения биоразнообразия.
статья [25,4 K], добавлен 12.01.2010Исследование иммунной системы человека. Изучение особенностей формирования неспецифического иммунитета. Анализ естественной, врожденной и приобретенной форм иммунитета. Описания функций клеток памяти и эффекторов, системы комплемента, структуры антигена.
презентация [4,0 M], добавлен 13.12.2012Одноклеточные живые организмы, не обладающие оформленным клеточным ядром. Строение и размножение прокариот. Основные группы прокариот: фототрофы, хемоавтотрофы, органотрофы и бактерии-паразиты. Сравнительная характеристика прокариот и эукариот.
презентация [748,9 K], добавлен 01.02.2011Классификация бактерий, их рост и способы размножения, морфологические и культуральные признаки. Строение бактериальной клетки. Клеточная стенка прокариот. Химизм спиртового брожения. Технология получения этилового спирта, пива, вина и пекарских дрожжей.
реферат [690,6 K], добавлен 04.07.2015Прогресс как направление эволюции. Развитие от архантропов до неоантропов. Корреляции и координации систем и органов в филогенезе. Мутационный процесс как фактор микроэволюции. Специализация и ее роль в эволюции. Правило прогрессивной специализации.
контрольная работа [185,4 K], добавлен 08.06.2013Теория прыгающих генов Б. Мак-Клинток, транспозоны как последовательности ДНК, способные к перемещению. Типы мобильных элементов и их свойства, значение в жизни организма. Транспозирующиеся элементы прокариот. Подвижные генетические элементы у эукариот.
лекция [38,5 K], добавлен 21.07.2009Генетическая система бактерий. Полимеразная цепная реакция. Применение генетических методов в диагностике инфекционных заболеваний. Метод молекулярной гибридизации. Особенности генетики вирусов. Системы репарации бактерий. Взаимодействие вирусных геномов.
презентация [2,6 M], добавлен 13.09.2015Понятие и виды иммунитета, назначение иммунной системы. Факторы и признаки ослабления иммунитета, методы его повышения. Механизм действия иммунитета: макрофаги, Т-хэлперы, В-лимфоциты, выработка иммуноглобулинов (антител), Т-супрессоры, клетки-киллеры.
реферат [15,0 K], добавлен 09.02.2009Иммунитет – способ защиты организма от болезнетворных микроорганизмов за счет выработки антител. Обзор схемы клеточного и гуморального иммунитета. Нарушения фагоцитарной системы. Методы оценки иммунитета. Реакция иммунного гемолиза и цитотоксический тест.
презентация [1,1 M], добавлен 11.11.2014Теории происхождения человека. Принятая хронология периодов антропогенеза. Реконструкция эволюции вида (филогении). Проблемы критерия "человек-животное". Качественный скачок в темпе эволюции и связь его с появлением речи (второй сигнальной системы).
дипломная работа [93,9 K], добавлен 07.11.2011Распределение материи во вселенной. Теория большого взрыва. Гипотезы формирования планет и образования их спутников. Сущность явления аккреции небесного тела. Модели происхождения Меркурия, Венеры, Земли, Марска. Объяснение эволюции Урана и Нептуна.
реферат [286,7 K], добавлен 19.10.2016Споры – форма бактерий с грамположительным типом строения клеточной стенки. Роль спорообразования бактерий и грибов для практики. Строение и особенности химического состава бактериальной споры. Микробиологическое обоснование пастеризации и стерилизации.
контрольная работа [223,5 K], добавлен 02.10.2011Характеристика основных теорий происхождения Земли: гипотеза Канта-Лапласа и теория Большого Взрыва. Сущность современных теорий эволюции Земли. Образование Солнечной системы, возникновение условий для жизни. Возникновение гидросферы и атмосферы.
контрольная работа [24,6 K], добавлен 26.01.2011Строение и жизнедеятельность организма животных класса Земноводных, история их происхождения и эволюции. Образ жизни земноводных во взаимосвязи с их строением и физиологией, хозяйственное значение для человека, разнообразие видов и ряд характеристик.
лекция [49,3 K], добавлен 07.06.2010Дифференциальная экспрессия генов и ее значение в жизнедеятельности организмов. Особенности регуляции активности генов у эукариот и их характеристики. Индуцибельные и репрессибельные опероны. Уровни и механизмы регуляции экспрессии генов у прокариот.
лекция [2,8 M], добавлен 31.10.2016Проблема происхождения и эволюции жизни на Земле. Моделирование как метод естественнонаучных исследований. Открытие принципа униформизма Ч. Лайелем. Учение Чарльза Дарвина о факторах эволюции путем естественного отбора, современные представления о ней.
контрольная работа [19,5 K], добавлен 18.08.2009
