11.11:

11.11: CRISPR und crRNAs

Name: CRISPR und crRNAs
Uploaded: 2020-11-23T11:47:38+00:00
Duration: 2 min 53 s
Description: Bacteria and archaea are susceptible to viral infections just like eukaryotes; therefore, they have developed a unique adaptive immune system to protect themselves. Clustered regularly interspaced sho

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November 23, 2020

Bacteria and archaea are susceptible to viral infections just like eukaryotes; therefore, they have developed a unique adaptive immune system to protect themselves. Clustered regularly interspaced short palindromic repeats and CRISPR-associated proteins (CRISPR-Cas) are present in more than 45% of known bacteria and 90% of known archaea.

The CRISPR-Cas system stores a copy of foreign DNA in the host genome and uses it to identify the foreign DNA upon reinfection. CRISPR-Cas has three different stages to attack a reinfecting virus. In the acquisition stage, the protospacer region of viral DNA is cleaved by CRISPR systems. The specific protospacer region is identified for cleavage with the help of a protospacer adjacent motif (PAM) present in the target viral DNA. The cleaved protospacer sequence is then incorporated into the bacterial CRISPR locus. In the expression stage, the CRISPR and CAS genes are transcribed to produce pre-CRISPR RNA (crRNA) and the Cas mRNA. The pre-crRNA is then processed to produce mature crRNA. In the interference stage, crRNA and the translated Cas protein form a ribonucleoprotein complex that targets and cleaves the viral DNA in a sequence-specific manner.

CRISPR-Cas systems can be divided into three distinct types characterized by their Cas protein types. In Type I systems, Cas3 has helicase as well as nuclease activity. Multiple additional Cas proteins create a double-stranded break in viral DNA. In Type II systems, the nuclease Cas9 acts alone to cleave the DNA. In addition to crRNA, Type II systems also have trans-activating CRISPR RNA (tracrRNA) which is required for the maturation of the crRNA. In Type III systems, Cas10 has an unknown function, but like the type I system, it needs multiple proteins for the DNA cleavage. The type III system can also target RNA for cleavage. Type I and Type III are found in both bacteria and archaea, while to date type II has been only found in bacteria. Compared to conventional genome editing techniques like restriction enzymes, the CRISPR-Cas system is simpler to use can target multiple genes in the same experiment.; therefore, it has emerged as a powerful genetic engineering tool and is widely being used to modify the genome of both prokaryotic and eukaryotic organisms.

Transcript

Bakterien sind ständig mit Bakteriophagen infiziert, Viren, die Bakterien infizieren.

Um dieser Bedrohung zu begegnen, haben Bakterien ein ausgeklügeltes adaptives Immunitätssystem entwickelt, das als CRISPR-Cas-System bekannt ist, um die DNA von Bakteriophagen im Falle einer erneuten Infektion zu zerstören.

Dieses System umfasst drei verschiedene Prozesse: den Einbau des DNA-Segments des Bakteriophagen in das bakterielle Genom, die Produktion der CRISPR-RNA und des Cas-Proteins sowie die CRISPR-RNA-Cas-vermittelte Spaltung der Bakteriophagen-DNA.

Wenn ein Bakteriophagen angreift, heftet er sich an die Oberfläche der Bakterienzelle und fügt seine DNA in die Bakterien ein, die dann vom Bakteriensystem gespalten wird.

Ein kurzer Abschnitt der Bakteriophagen-DNA wird dann in bestimmte Regionen des bakteriellen Genoms gegeben, CRISPR genannt, geclusterte regelmäßige kurze palindromische Wiederholungen. Dabei handelt es sich um genomische Regionen, in denen bakterielle Sequenzwiederholungen mit den kurzen, variierenden Spacersequenzen verschiedener Bakteriophagen durchsetzt sind.

Diese Spacer-Sequenzen dienen als Speicher für die Bakterien aller Bakteriophagen, die zuvor angegriffen haben. Bakterien verwenden Spacersequenzen, um die DNA einer bestimmten Art von Bakteriophagen schnell zu identifizieren und zu zerstören, wenn diese erneut angreift.

Die Transkripte aus der CRISPR-Region werden verarbeitet, um CRISPR-RNA-Moleküle herzustellen, die etwa 30 Nukleotide lang sind und die Spacer-Sequenz und die nahe gelegene bakterielle Wiederholungssequenz enthalten.

Die CRISPR-assoziierten oder Cas-Systeme kodieren für das Cas-Protein. Dieses Cas-Protein assoziiert sich dann mit dem CRISPR-RNA-Molekül und bildet einen Ribonukleoprotein-Komplex.

Wenn die gleiche Art von Bakteriophagen erneut angreift, wird seine DNA anhand seiner spezifischen Spacersequenz in der CRISPR-RNA erkannt. Das assoziierte Cas-Protein schneidet dann entweder allein oder mit Hilfe mehrerer Proteine beide Stränge der Bakteriophagen-DNA.

Die Prinzipien des CRISPR-Cas-Systems und seiner Komponenten können verwendet werden, um jedes Gen in einem Organismus mit Hilfe seiner komplementären Guide-RNA auszuschalten oder zu modifizieren.

Verschiedene Arten des CRISPR-Cas-Systems kommen in Bakterien und Archaeen vor. Unter ihnen ist das CRISPR-Cas9-System eines der am besten untersuchten und am weitesten verbreiteten für verschiedene praktische Anwendungen, da es einfach und effektiv so umprogrammiert werden kann, dass es auf verschiedene Gene abzielt.