Chapter 11: Additional Roles of RNA

Back to chapter

11.11:

CRISPR и crRNA

JoVE Core
Molecular Biology

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

JoVE Core Molecular Biology

CRISPR and crRNAs

Previous Video
11.10: piRNA – Piwi-interacting RNAs

Next Video
11.12: lncRNA – Long Non-coding RNAs

Languages

Share

English العربية 中文 Nederlands français Deutsch עברית italiano 日本語 한국어 português русский español Türkçe

Бактерии постоянно сталкиваются с инфекциями от бактериофагов-вирусов, которые заражают бактерии. Для защиты от этой угрозы, бактерии развили изощренную, адаптивную систему иммунитета, которая известа как система CRISPR-CAS уничтожения ДНК бактериофага в случае повторной инфекции. Эта система включает в себя три различных процесса-инкорпорация сегмента ДНК бактериофага в бактериальный геном, Производство РНК CRISPR и Cas-белок и CRISPR РНК-Cas-опосредованное расщепление ДНК бактериофага.Когда бактериофаг нападает, он прикрепляется к поверхности бактериальной клетке и вводит свою ДНК в бактерии, которая затем расщепляется бактериальной системой. Короткий сегмент ДНК бактериофага затем добавляется в специфическую область бактериального генома, CRISPR-в переводе звучит как Кластеризованные Короткие палиндромные повторы с регулярными интервалами. Это геномные области, где бактериальная последовательность повторяется в сочетании с короткими последовательностями различных спейсеров от различных бактериофагов.Эти последовательности спейсеров служить памятью для бактерий о всех бактериофагах, которые уже нападали. Бактерии используют последовательность спейсеров для быстрого выявления и уничтожения ДНК конкретного типа бактериофага если он снова нападет. Транскрипты областей CRISPR перерабатываются для производства молекулы РНК CRISPR примерно 30 нуклеотидов длиной, которая имеет спейсерную последовательность, и рядом последовательность бактериального повтора.Связанные с CRISPR, или системы CAS, кодируют белок CAS. Затем этот белок Cas ассоциируется С молекулой РНК CRISPR для формирования рибонуклеопротеиновый комплекса. Если вновь атакует тот же тип бактериофагов, Его ДНК признаётся специальной последовательностью спейсеров, присутствующих в РНК CRISPR.Тогда ассоциированный белок CAS, либо водиночку, либо с помощью нескольких белков, вырезает обе цепи ДНК бактериофага. Принципы CRISPR Системы CAS и ее компонентов можно использовать для выбивания или модифицирования любого гена в организме, используюя дополняющую его направляющую РНК. Различные типы система CRISPR CAS присутствуют и бактерий и архей.В их числе Система CRISPR Cas9, одна из самых хорошо изученных и широко используемых для других практических приложений поскольку она может быть легко и эффективно перепрограммирована для того, чтобы целиться в разные гены.

11.11:

CRISPR и crRNA

Бактерии и археи, как и эукариоты, восприимчивы к вирусным инфекциям, поэтому они разработали уникальную адаптивную иммунную систему для самозащиты. Короткие палиндромные повторы, расположенные группами, регулярно перемежающиеся спейсерами, (CRISPR) и CRISPR-связанные белки (CRISPR-Cas) присутствуют у более чем 45% известных бактерий и 90% известных архей.

Система CRISPR-Cas хранит копию чужеродной ДНК в геноме хозяина и использует ее для идентификации чужеродной ДНК при повторном заражении. CRISPR-Cas состоит из трех этапов для атаки на повторно заражающий вирус. На стадии приобретения протоспейсерная область вирусной ДНК расщепляется системами CRISPR. Специфическая область протоспейсера идентифицируется для расщепления с помощью смежного мотива протоспейсера (PAM), присутствующего в целевой вирусной ДНК. Затем отщепленную последовательность протоспейсера включают в бактериальный локус CRISPR. На стадии экспрессии гены CRISPR и CAS транскрибируются с образованием пре-CRISPR РНК (crРНК) и Cas-мРНК. Затем пре-crРНК процессируется для получения зрелой crРНК. На стадии интерференции crРНК и транслированный белок Cas образуют рибонуклеопротеидный комплекс, который нацелен на вирусную ДНК и расщепляет ее специфично относительно последовательности.

Системы CRISPR-Cas можно разделить на три различных типа, которые характеризуются типами белков Cas. В системах типа I Cas3 обладает геликазной, а также нуклеазной активностью. Множество дополнительных белков Cas создают двунитевой разрыв в вирусной ДНК. В системах типа II нуклеаза Cas9 действует самостоятельно, расщепляя ДНК. Помимо crРНК, системы типа II также содержат трансактивирующую CRISPR РНК (tracrРНК), которая необходима для созревания crРНК. В системах типа III Cas10 выполняет неизвестную функцию, но, как и в системе типа I, для расщепления ДНК требуется несколько белков. Система типа III также может нацеливаться на РНК для расщепления. Типы I и III обнаружены как у бактерий, так и у архей, в то время как на сегодняшний день тип II обнаружен только у бактерий. По сравнению с обычными методами редактирования генома, такими как рестрикционные ферменты, система CRISPR-Cas проще в использовании, она может воздействовать на несколько генов в одном эксперименте; поэтому она превратилась в мощный инструмент генной инженерии и широко используется для модификации генома как прокариотических, так и эукариотических организмов.

Suggested Reading

Thurtle‐Schmidt, Deborah M., and Te‐Wen Lo. "Molecular biology at the cutting edge: a review on CRISPR/CAS9 gene editing for undergraduates." Biochemistry and Molecular Biology Education 46, no. 2 (2018): 195-205.
Rath, Devashish, Lina Amlinger, Archana Rath, and Magnus Lundgren. "The CRISPR-Cas immune system: biology, mechanisms and applications." Biochimie 117 (2015): 119-128.
Wang, Haifeng, Marie La Russa, and Lei S. Qi. "CRISPR/Cas9 in genome editing and beyond." Annual Review of Biochemistry 85 (2016): 227-264.
Adli, Mazhar. "The CRISPR tool kit for genome editing and beyond." Nature Communications 9, no. 1 (2018): 1-13.

Tags

CRISPR CrRNAs Bacteriophages Adaptive Immunity System CRISPR-Cas System Bacteriophage DNA Cas Protein CRISPR RNA Cleavage Bacterial Genome CRISPR Region Spacer Sequences Memory Nucleotides