CRISPR: bakterite adaptiivne immuunsüsteem ja geenide redigeerimine

CRISPR: kuidas bakterite adaptiivne immuunsüsteem toimib ja võimaldab täpset geenide redigeerimist — innovatiivsed lahendused viiruste vastu, geneetikas ja meditsiinis.

CRISPR on termin, mida kasutatakse mikrobioloogias. See tähendab Clustered Regularly-Interspaced Short Palindromic Repeats. Need on geneetilise koodi loomulik osa, mida leidub prokarüootidel: enamikul bakteritel ja arheoididel on see olemas. CRISPR-süsteem ei ole üksainus geen, vaid koosneb kordustest (repeats), nende vahele jäävatest unikaalsetest järjestustest (spacers) ning sellega koos töötavatest Cas-proteiinidest (CRISPR-associated proteins). Spaceri järjestused pärinevad tavaliselt viirustelt või plasmididelt ja annavad bakterile või arheoidile "mäluruumi" varasemate rünnakute jaoks.

Struktuur ja tööpõhimõte

CRISPR-süsteem toimib kolmest põhietapist: adaptatsioon, ekspressioon ja interfereerimine.

• Adaptatsioon — kui bakter või arheoid saab rünnaku, lõikab CRISPR-süsteemi töötav masin fragmenti ründaja DNA-st ja lisab selle uue spacerina CRISPR-juppide vahele. Nii tekib immunoloogiline mälumärk.
• Ekspressioon — CRISPR-loka asuvalt transkribeeritakse pika RNA-katina, mis hiljem lõigatakse väiksemateks crRNA-deks; need crRNA-d juhivad Cas-proteiine sihtmärkide juurde.
• Interfereerimine — kui sama ründaja satub jälle sisse, tunneb crRNA selle ära ja juhib Cas-ensüümi siht-DNA või -RNA lõikama, neutraliseerides rünnaku.

Cas-proteiinid ja süsteemi mitmekesisus

On palju erinevaid CRISPR-süsteeme, mida jagatakse peamiselt kaheks klassiks: Class 1 (mitme valgu kompleksid) ja Class 2 (ühe valgu süsteemid). Klass 2 üks tuntumaid näiteid on Cas9, mida kasutatakse laialdaselt laborites kummagi DNA lõikamiseks. Teised tähtsad ensüümid on Cas12 (tuvastab ja lõikab DNA-d) ja Cas13 (sihtmärk on RNA). Iga Cas-ensüümil on oma omadused — näiteks lõikekoha spetsiifilisus ja kõrvaltoimingud — mis määravad nende sobivuse konkreetseteks rakendusteks.

Rakendused ja tehnoloogiline kasutus

CRISPR-tehnoloogiad võimaldavad geenide täpset muutmist: lõikamist, lisamist või järjestuse redigeerimist. Nad on osa vahendist, mis võimaldab geenide täpselt suunatud lõikamist ja sisestamist geneetilisel muundamisel (GM). Peamised rakendusalad:

• Geneetiline redigeerimine põllumajanduses — vastupidavamad, toitainerikkamad või haiguskindlamad taimed ja loomad.
• Meditsiinilised rakendused — pärilike haiguste raviks mõeldud geeniteraapiad, näiteks vereliinihaiguste või immuunsüsteemi defektide puhul. Mõned CRISPR-põhised ravikontseptsioonid on jõudnud kliinilistesse uuringutesse (nii rakkude välja töötlemine ex vivo kui ka in vivo kohaletoimetamine), kuid suuremahuline kasutuselevõtt nõuab veel turvalisuse ja pikaajaliste tagajärgede selgitamist.
• Viroloogiline ravi ja diagnostika — CRISPRi saab kasutada viiruslike genoomide sihtimiseks (nt uuritakse võimalusi HIVi latentse viiruse eemaldamiseks) ning kiirete diagnostiliste testide loomiseks (näiteks Cas12 ja Cas13 põhised testimeetodid nagu DETECTR ja SHERLOCK, mis tuvastavad spetsiifilist viirus-RNA või -DNA).
• Teadusuuringud — geenifunktsioonide väljaselgitamiseks, mudelorganismide loomine ja rakuliste mehhanismide uurimine.

Piirangud ja ohud

Kuigi CRISPR on võimas tööriist, kaasnevad sellega olulised väljakutsed:

• Off-target-efektid — CRISPR võib lõigata ka sarnast, aga mitte täpset sihtjärjestust, mis võib põhjustada soovimatuid muutusi genomis.
• Tarneprobleemid — geeniredaktori efektiivne ja ohutu viimine õigetesse rakkudesse on tehniliselt keeruline (nt viirusvektorid, lipidoomsed nanopartiklid või rakkude eks vivo redigeerimine ja seejärel tagasi viimine patsiendile).
• Immuneetilised vastused — inimkeha võib ära tunda Cas-proteiine võõrana ja käivitada immuunvastuse.
• Bioeetika ja regulatsioon — järjest laialdasemad võimalused kaasaavad keerulisi eetilisi küsimusi, eriti seoses sugurakkude (germline) redigeerimisega, mis mõjutaks järgnevaid põlvkondi. Kuulsa juhtumina tõi avalikkuse tähelepanu germline-redigeerimise ebaeetiline kasutamine ja selle tagajärjed, mille tõttu on ülemaailmne nõudlus range regulatsiooni järele.

Tulevik ja eetilised kaalutlused

Edasine arendus keskendub paremale täpsusele, ohutumale kohaletoimetamisele ja moraalsete ning juriidiliste raamistikude väljatöötamisele. Paljud teadlased rõhutavad, et terapeutilised rakendused peaksid läbima põhjalikud kliinilised uuringud ja ühiskondlikku arutelu enne laialdast kasutuselevõttu. Samal ajal lubab CRISPR olulisi läbimurdeid haiguste mõistmisel, diagnoosimisel ja ravis ning toob kaasa uusi võimalusi põllumajanduses ning biotehnoloogias.

Kokkuvõtteks: CRISPR on bakterite ja arheoidide loomulik adaptiivne immuunsüsteem, mis on saanud aluseks võimsatele geneetika tööriistadele. Selle potentsiaal on suur, kuid sama suur on ka vajadus tähelepaneliku, ohutu ja eetiliselt vastutustundliku kasutamise järele.

Küsimused ja vastused

K: Mida tähendab CRISPR?

K: Kus leidub CRISPR?

K: Mis oli CRISPRi avastamise eesmärk?

K: Kuidas CRISPR töötab?

K: Mida saab CRISPRi abil teha?

K: Millal tehti CRISPRi avastamine?

Otsing