Zbierka prirodzených genetických nožníc, potenciálne použiteľných na úpravu genómu, sa zásadne rozrástla.
Obrázok ilustruje opravu DNA pomocou nástroja CRISPR-Cas, známeho aj ako genetické nožnice. Zdroj: iStockphoto.com
Genetické nožnice sú populárnejší názov pre úžasný nástroj, ktorý vedci nazývajú CRISPR-Cas. Je poskladaný z enzýmu – bielkoviny, ktorá štiepi deoxyribonukleovú kyselinu (DNA) – a ribonukleovej kyseliny (RNA). Predstavte si, že máte vážne ochorenie, ktoré spôsobuje jediný gén. RNA navedie enzým k DNA, prestrihne ho a je po probléme. Pomocou genetických nožníc sa dá DNA editovať ako text, niektoré gény sa vypnú, iné presunú, ďalšie odstrihnú. V skutočnosti to až také jednoduché nie je, pretože vypnutie istých génov môže spôsobiť zapnutie iných a vznik nového problému. Vedci však na vylepšení tohto nástroja neustále pracujú.
Na princípe genetických nožníc už funguje liek na spinálnu atrofiu (SMA), chorobu, ktorá ovplyvňuje schopnosť chodiť, jesť, dýchať a napokon môže byť smrteľná. Sú šancou najmä pri liečbe ochorení spôsobených jediným génom, ako je kosáčikovitá anémia, jeden typ choroby motýlích krídel, ale aj Parkinsonova choroba či rakovina. Vedkyne Emmanuelle Charpentierová a Američanka Jennifer A. Doudnová, ktoré objavili genetické nožnice dostali v roku 2020 Nobelovu cenu za chémiu.
Emmanuelle Charpentierová skúmala baktériu Streptococcus pyogenes a pritom si všimla neznámu molekulu tracrRNA. Zistila, že je súčasťou imunitného systému baktérií, vďaka ktorému si dokážu zapamätať, aké vírusy ich napadli v minulosti. Keď sa s ním znova stretnú, vedia presne, ktoré časti ich DNA majú napadnúť a presnejšie odstrihnúť, aby ich ochromili.
Kontaktovala biochemičku Jennifer Doudnovú a spoločne preprogramovali tieto „nožnice“ tak, aby rozpoznávali nielen DNA vírusov, ale ktorúkoľvek molekulu DNA na vopred určenom mieste.
Teraz sa Jennifer Doudnová spolu s mikrobiologičkou Jillian Banfieldovou z Kalifornskej univerzity v Berkeley a kolegami rozhodli pre komplexnejšie hľadanie nástroja CRISPR-Cas vo vírusoch, ktoré infikujú baktérie a archeóny, známe ako fágy. Archeóny sú mikroorganizmy, veľkosťou a jednoduchosťou štruktúry podobné baktériám, ale v organizácii molekúl sú radikálne odlišné. Fágy sú vírusy schopné infikovať baktérie.
CRISPR-Cas9 totiž v mikrobiálnom svete baktérií a archeón často pomáha bunkám odraziť vírusy.
Významný krok vpred
Štúdiu tohto vedeckého tímu uverejnil 23. novembra tohto roku vedecký magazín Cell. Dokazuje, že nástrojom CRISPR-Cas sú vyzbrojené 0,4 percenta verejne dostupných sekvencií genómu z vírusov schopných infikovať baktérie a archeóny.
Význam tohto zistenia vysvetľuje článok v prestížnom vedeckom magazíne Nature. Podľa neho si vedci myslia, že niektoré vírusy používajúce CRISPR-Cas sú schopné upravovať genómy rastlín a cicavcov a majú vlastnosti, napríklad kompaktnosť a efektívnosť, vďaka ktorým by mohli byť užitočné v laboratóriu.
„Ide o významný krok vpred pri objavovaní obrovskej rozmanitosti systémov CRISPR-Cas,” hovorí výpočtová biologička Kira Makarova z amerického Národného centra pre biotechnologické informácie v Bethesde v štáte Maryland.
Nový uhol pohľadu
Nature ďalej objasňuje, že CRISPR-Cas, doposiaľ považovaný za nástroj na zmenu genómov v laboratóriu, môže v prírode fungovať ako prirodzený imunitný systém. Je ním vyzbrojených asi 40 percent baktérií a 85 percent archeón. Tieto mikróby dokážu často zachytiť časti genómu vírusu, ktorý ich napadol, a uložiť si jeho sekvencie v oblasti vlastného genómu, ktorá sa nazýva pole CRISPR.
Toto pole potom slúži ako šablóna na generovanie RNA, ktoré riadia enzýmy spojené s CRISPR na rezanie zodpovedajúcej DNA. Mikróby, ktoré sa takto vyzbrojili časťami DNA z nepriateľských vírusov, dokážu rozrezať vírusový genóm a potenciálne zastaviť vírusové infekcie.
Obrázok ilustruje genetické inžinierstvo. Zdroj: iStockphoto.com
Ukradnuté kúsky DNA
Izolované príklady CRISPR-Cas, ktoré našli výskumníci vo vírusových genómoch, dokazujú, že vírusy niekedy zachytávajú úryvky genómov svojich hostiteľov. Ak tieto ukradnuté kúsky DNA poskytnú vírusu konkurenčnú výhodu, mohli by sa zachovať a postupne upravovať, aby lepšie slúžili „životnému štýlu“ vírusu.
Jennifer Doudnová a mikrobiologička Jillian Banfieldová s kolegami objavili vo fágach asi 6 tisíc variácií v CRISPR-Cas vrátane zástupcov tých typov, ktoré sú už známe. Samých ich to prekvapilo.
„Dôkazy naznačujú, že ide o nástroje, ktoré sú pre fágy užitočné. Náš tím našiel širokú škálu variácií na obvyklú štruktúru CRISPR-Cas, pričom niektorým isté komponenty chýbajú a iné sú nezvyčajne kompaktné,” hovorí Doudnová.
„Aj keď sú CRISPR-Cas kódované fágmi zriedkavé, sú veľmi rôznorodé a široko rozšírené,” dodáva Anne Chevallereauová, ktorá študuje fágovú ekológiu a evolúciu vo francúzskom národnom centre pre vedecký výskum v Paríži. „Príroda je plná prekvapení,” uvažuje.
Malý, ale efektívny
Vírusové genómy majú tendenciu byť kompaktné a niektoré vírusové enzýmy Cas (Cas je v nástroji CRISPR-Cas ako ostrie – pozn. red.) boli pozoruhodne malé. A keďže menšie enzýmy sa prepravujú do buniek ľahšie, mohli by byť na úpravu genómu mimoriadne vhodné. Doudnová a jej kolegovia sa zamerali na konkrétny zhluk malých enzýmov Cas, nazvaných Casλ, a zistili, že niektoré z nich možno použiť na úpravu genómov buniek vypestovaných v laboratóriu zo žeruchy (Arabidopsis thaliana) a z pšenice, ako aj buniek ľudských obličiek.
Výsledky teda naznačujú, že vírusové enzýmy Cas by sa mohli pripojiť k rastúcej zbierke nástrojov na úpravu génov objavených v mikróboch. „Hoci výskumníci v prírode objavili ďalšie malé enzýmy Cas, mnohé z nich boli doteraz relatívne neefektívne pre použitie na úpravu genómu,” hovorí Doudnová.
Naproti tomu niektoré z vírusových enzýmov Casλ kombinujú malú veľkosť a vysokú účinnosť. Výskumníci plánujú v hľadaní mikróbov pre potenciálne vylepšenia známych systémov CRISPR-Cas pokračovať.
Makarova predpokladá, že vedci budú tiež hľadať systémy CRISPR-Cas, ktoré zachytili plazmidy – kúsky DNA, ktoré možno preniesť z mikróbov na mikróby. „Každý rok máme k dispozícii tisíce nových genómov a niektoré z nich pochádzajú z veľmi odlišných prostredí, takže to bude naozaj zaujímavé,” dodáva.
Zdroje: vedanadosah, www.nobelprize.org, Nature, DOI:10.1038/d41586-022-03837-8
