مطالعه سرنخ های جدیدی را نشان می دهد و سؤالات بیشتری را در مورد CRISPR مطرح می کند

CRISPR به دلیل توانایی اش در ویرایش سریع و دقیق ژن ها، مدعی شهرت علمی شد. اما در اصل، سیستم‌های CRISPR سیستم‌های ایمنی هستند که به باکتری‌ها کمک می‌کنند با هدف قرار دادن و از بین بردن DNA و RNA ویروس، از خود در برابر ویروس‌ها محافظت کنند. یک مطالعه جدید منتشر شده در علوم پایه یک بازیکن قبلاً ناشناخته در یکی از این سیستم ها را نشان می دهد – یک پروتئین غشایی که دفاع ضد ویروسی را تقویت می کند – به طور همزمان درک ما را از پیچیدگی های CRISPR گسترش می دهد و سؤالات بیشتری را مطرح می کند.

کشف سرنخ های جدید در مورد CRISPR

سیستم‌های CRISPR از دو جزء اصلی تشکیل شده‌اند: یک RNA راهنما که DNA یا توالی RNA ویروسی خاص را هدف قرار می‌دهد و یک آنزیم Cas که DNA یا RNA هدف را قطع می‌کند و از تکثیر و انتشار ویروس جلوگیری می‌کند. تیمی در مرکز زیست شناسی RNA دانشگاه روچستر دریافتند که پروتئین Cas13b خاص نه تنها RNA ویروسی را قطع می کند، بلکه با پروتئین دیگری (Csx28) ارتباط برقرار می کند تا دفاع ضد ویروسی خود را تقویت کند.

این تیم با همکاری دانشمندان کورنل کشف کردند که پروتئین Csx28 ساختاری منفذ مانند دارد (یعنی سوراخ بزرگی در آن وجود دارد). وقتی آلوده شدند E. coli با یک فاژ (ویروسی که به باکتری ها حمله می کند) و سیستم CRISPR-Cas13 را برای هدف قرار دادن و توقف عفونت به کار گرفتند، آنها دریافتند که Cas13 سیگنال هایی به Csx28 می دهد تا بر نفوذپذیری غشاء تأثیر بگذارد. هنگامی که این اتفاق می افتد، Csx28 در سلول آلوده ویران می کند، پتانسیل غشاء را از هم جدا می کند، متابولیسم را خرد می کند و مانع تولید انرژی می شود. یک ویروس نمی تواند تحت چنین شرایط ناخوشایندی تکثیر شود، و به این نتیجه رسیدند که Csx28 دفاع فاژی CRISPR-Cas13b را تقویت می کند.

میچل اوکانل، نویسنده مرتبط، دکترا، استادیار بیوشیمی و بیوفیزیک، می‌گوید: «این یافته این ایده را که سیستم‌های CRISPR دفاع خود را تنها با تجزیه RNA و DNA در سلول‌ها تقویت می‌کنند و واقعاً دیدگاه ما را درباره نحوه عملکرد سیستم‌های CRISPR گسترش می‌دهد.» در مرکز پزشکی دانشگاه روچستر (URMC) و عضو مرکز UR برای زیست شناسی RNA. وقتی به CRISPR فکر می کنیم، پروتئین های Cas مانند Cas9 یا Cas13 را به عنوان چکش بزرگی می بینیم که همه آسیب ها را وارد می کند، اما ممکن است اینطور نباشد؛ ما متوجه شدیم که Cas13 و Csx28 با هم کار می کنند تا به طور موثر یک ویروس را خاموش کنند.

وقتی این مقاله را می خوانید با خود فکر می کنید … “چی؟” این یک مکانیسم عجیب و غریب است و آن طور که من پیش بینی می کردم باکتری ها کار می کنند نیست. واقعاً قابل توجه است که تیم این پروتئین منافذ مانند را که شبیه هیچ چیز دیگری که قبلاً دیده‌ایم نیست، شناسایی کردند و اکنون که می‌دانیم این مکانیسم وجود دارد، مردم شروع به جستجوی آن در سیستم‌های دیگر خواهند کرد. این هیجان‌انگیز است، زیرا در علم، وقتی سطح را می‌خراشید، اغلب متوجه می‌شوید که دنیای کاملاً جدیدی پشت آن وجود دارد.»

جان لوک، دکترا، استادیار فارماکولوژی و فیزیولوژی در URMC

سوالات بیشتر از پاسخ

با دانش افزوده شده از ساختار Csx28 از طریق استفاده از cryo-EM با وضوح بالا، تیم شروع به بررسی عملکرد پروتئین می کند. سوالات فراوان است. اگر هدف حفاظت است، چرا یک سوراخ غول پیکر در غشاء وجود دارد؟ تیم دریافت که وقتی Cas13 در اطراف نیست، Csx28 فعال نیست. چه چیزی باعث می شود در دفاع فعال شود؟ چه مدت فعال می ماند و چه چیزی از غشاء عبور می کند؟ درک بیوشیمی پشت باز و بسته شدن منافذ روشن می کند که چگونه CRISPR-Cas13 از آن به عنوان بخشی از دفاع خود استفاده می کند و یک نقطه پرش برای مطالعه پروتئین های غشایی در سایر سیستم های CRISPR ایجاد می کند.

دکتر مارک دومونت، پروفسور بیوشیمی و بیوفیزیک در URMC که کار خود را صرف مطالعه پروتئین های غشایی کرده است، گفت: «این یافته غیرمنتظره است و انواع سؤالات جدیدی را در مورد اینکه چگونه باکتری ها از خود محافظت می کنند و برای زنده ماندن از عفونت چه می کنند، ایجاد می کند. همچنین یک رابط بسیار جالب بین زیست شناسی RNA، CRISPR، زیست شناسی ساختاری و زیست شناسی غشایی است. در حالی که هیچ ارتباط یا کاربرد فوری پزشکی وجود ندارد، ایده های حاصل از این می تواند بسیار قدرتمند باشد.

لوک می افزاید: “بسیار نادر است که یک مطالعه این همه بخش قابل تامل داشته باشد که چندین زمینه مختلف را با هم جمع کند. و از آنجایی که مفاهیم کاملاً جدید هستند، کار آینده تحت فشار جزمی قرار نخواهد گرفت. هر زمانی که مردم بتوانند آن را بیاورند. ایده‌های تازه و بی‌بند و باری که روی میز قرار می‌گیرند، واقعاً برای علم خوب است.”

علاوه بر اوکانل، دکتر آریکا واندروال، نویسنده اصلی مطالعه، دانشجوی سابق فارغ التحصیل در آزمایشگاه اوکانل که اکنون محقق فوق دکترا در دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو است، در این تحقیق مشارکت داشت. دانشجویان فارغ التحصیل جولیا کی نیکوزیا و آدریان ام. مولینا وارگاس در آزمایشگاه اوکانل، بوگدان پولوودا، دکترا، استادیار پژوهشی بیوشیمی و بیوفیزیک در URMC، و الیزابت کلوگ، دکترا، و جونگ اون پارک از بخش مولکولی زیست شناسی و ژنتیک در دانشگاه کرنل نیز از این تحقیق حمایت کردند. این مطالعه توسط مؤسسه ملی بهداشت تأمین مالی شد.