Ny forskning från Cornell ger insikter i en rad CRISPR-system, som kan leda till lovande antivirala och vävnadstekniska verktyg för djur och växter.

Forskningen av Ailong Ke, Robert J. Appel professor i molekylärbiologi och genetik vid College of Arts and Sciences, och Stan J.J. Brouns vid Delft University of Technology i Nederländerna, fokuserar på ett nyupptäckt CRISPR RNA-styrt Caspase-system, även känt som Craspase.

CRISPR-Cas-system är RNA-styrda nukleaser i bakterier som klyver virala DNA- eller RNA-mål på exakta platser för att möjliggöra kraftfulla genomredigeringsapplikationer. Kaspaser är en familj av proteaser som kontrollerar programmerad celldöd hos djur, inklusive människor. Ett nyligen upptäckt att kaspasliknande proteiner kunde associera med CRISPR-Cas elektrifierade det vetenskapliga samfundet. Sådana CRISPR-styrda kaspaser fick ett nytt namn, Craspase.

"Å ena sidan var denna förening helt oväntad och pekar på nya sätt för antiviral verkan i bakterier," sa Ke. "Å andra sidan skulle vi kunna använda ett sådant här system för att utveckla många biotekniska och terapeutiska tillämpningar, om vi förstår alla prylar i det här maskineriet."

Forskarnas artikel om ämnet "Craspase is a CRISPR RNA-guided, RNA-activated protease," publicerades den 24 augusti i Science . För denna artikel använde forskare kryoelektronmikroskopi-ögonblicksbilder av Craspase-system för att förklara hur de klyver till mål-RNA och aktiverar proteasenzymer, som kan bryta ner protein.

"Dessa ögonblicksbilder leder till en högupplöst molekylär film," sa Ke. "Genom att titta på det fram och tillbaka vet vi exakt hur Craspase identifierar ett RNA-mål, hur detta i sin tur aktiverar proteaset, hur länge aktiviteten kvarstår och vad som till slut stänger av proteasaktiviteten. Idéer börjar strömma in, om hur man kan dra kraft från den här plattformen."

Medförfattaren Chunyi Hu, en postdoktor vid Kes labb, sa att det fanns ett enormt intresse för Craspase-systemet. "Mycket konkurrens. Vi och våra samarbetspartners i Nederländerna slog ihop våra krafter och arbetade dag och natt för att lösa pusslet", sa Hu. "Processen har spännande potential eftersom produktionen av Craspase är protein snarare än DNA-nedbrytning."

"Med andra CRISPR-teknologier oroar man sig för om de enzymer vi använder för att redigera vårt DNA är tillräckligt säkra, om det kan finnas andra skador eller om det inte är målinriktat," sa Ke. "Med Craspase kan vi uppnå många av samma fördelaktiga terapeutiska resultat utan att oroa oss för säkerheten i vårt genom."

Arbetet som rapporteras i tidningen hjälper också forskare att förstå vad Craspase gör inuti bakterieceller, sa Ke. "Våra medarbetares arbete visade att det är som en huvudbrytare - den proteolytiska klyvningen utlöser en kaskad av händelser i bakteriecellerna som sannolikt dödar dem så småningom," sa Ke. "Vi har ett delvis svar i den här studien. Vi undersöker fortfarande."

Denna senaste forskning kommer också att hjälpa forskare att förstå likheterna mellan programmerad celldöd i mänskliga cellvägar och samma process i bakteriecellsvägar.

"Vi inser att samma uppsättning proteaser (kaspaser) styr de programmerade celldödsvägarna i livets båda riken," sa Ke. "Denna observation avslöjade hur djupt rotad den här vägen är."

Förutom att sondera djupare in i den funktionella sidan av denna process, sa Ke, och teamet kommer att gå in på applikationssidan, vilket kan inkludera vävnadsteknik inom djur och jordbruksteknik. "Jag hoppas att fler utredare kommer att uppskatta potentialen i detta system och gå med," sa Ke. "Vi tänker alla på CRISPR-guidad nukleas som ett verktyg för att bota genetiska sjukdomar, men CRISPR-vägledda proteaser kan ha effekter för biologin på ett mycket bredare sätt." + Utforska vidare

Discovery erbjuder en startpunkt för bättre genredigeringsverktyg