CRISPRとcrRNA

細菌や古細菌は、真核生物と同じようにウイルス感染にかかりやすいため、自分自身を守るための独自の適応免疫システムを開発しました。クラスター化された規則的に間隔を空けた短い回文反復タンパク質とCRISPR関連タンパク質(CRISPR-Cas)は、既知の細菌の45%以上、既知の古細菌の90%に存在します。

CRISPR-Casシステムは、外来DNAのコピーを宿主ゲノムに保存し、再感染時にそれを使用して外来DNAを特定します。CRISPR-Casには、再感染したウイルスを攻撃するための3つの異なる段階があります。取得段階では、ウイルスDNAのプロトスペーサー領域がCRISPRシステムによって切断されます。特異的なプロトスペーサー領域は、標的ウイルスDNAに存在するプロトスペーサー隣接モチーフ(PAM)の助けを借りて、切断のために同定されます。その後、切断されたプロトスペーサー配列は、細菌のCRISPR遺伝子座に組み込まれます。発現段階では、CRISPR遺伝子とCAS遺伝子が転写され、pre-CRISPR RNA(crRNA)とCas mRNAが産生されます。次に、pre-crRNAをプロセシングして成熟crRNAを産生します。干渉段階では、crRNAと翻訳されたCasタンパク質がリボ核タンパク質複合体を形成し、配列特異的にウイルスDNAを標的にして切断します。

CRISPR-Casシステムは、Casタンパク質の種類によって特徴付けられる3つの異なるタイプに分類できます。タイプIシステムでは、Cas3はヘリカーゼ活性とヌクレアーゼ活性を持っています。さらに複数のCasタンパク質がウイルスDNAに二本鎖切断を生じます。II型システムでは、ヌクレアーゼCas9が単独で作用してDNAを切断します。タイプIIシステムには、crRNAに加えて、crRNAの成熟に必要なトランス活性化CRISPR RNA(tracrRNA)もあります。III型システムでは、Cas10は未知の機能を持っていますが、I型と同様に、DNA切断には複数のタンパク質が必要です。III型システムは、切断のためにRNAを標的にすることもできます。I型とIII型は細菌と古細菌の両方に見られますが、今日までII型は細菌にのみ見られます。制限酵素のような従来のゲノム編集技術と比較して、CRISPR-Casシステムは使いやすく、同じ実験で複数の遺伝子を標的にすることができます。そのため、強力な遺伝子工学ツールとして浮上し、原核生物と真核生物の両方のゲノムを変更するために広く使用されています。