CRISPR-Cas-system har revolutionerat biotekniken genom att erbjuda sätt att redigera gener som en programmerbar sax. I naturen använder bakterier dessa system för att bekämpa dödliga virus. Ett nyligen genomfört internationellt samarbete ledd av Köpenhamns universitet har belyst de mest gåtfulla CRISPR-Cas-systemen; typ IV-systemet. Även om dessa atypiska system inte skär gener, visar deras unika funktioner lovande i vår kamp mot antibiotikaresistens.
CRISPR-Cas-system är bakteriellt adaptiva immunsystem som riktar in sig på och skär ut nukleinsyrorna (DNA/RNA) från invaderande genetiska parasiter som bakteriofager (fager); virus som infekterar – och så småningom dödar – bakterieceller. De består av två huvudkomponenter; CRISPR-arrayen, som lagrar immunminne från tidigare virusinfektioner, och cas-gener (som kodar för Cas-proteiner), ansvariga för att koordinera de olika stadierna av immunsvaret.
Det finns för närvarande sex kända typer av CRISPR-Cas-system, klassificerade efter deras proteinsammansättningar. Alla typer, utom typ IV, inkluderar nukleaser för DNA/RNA-klyvning.
CRISPR-Cas-system har vunnit popularitet som genredigeringsverktyg, vilket möjliggör exakta programmerbara skärningar på specifika genomiska platser – vilket i slutändan leder till att 2020 års Nobelpris i kemi delas ut för utvecklingen av denna teknik.
"Typ IV-system är de konstiga kusinerna bland CRISPR-Cas-system, eftersom de saknar immunminnesmodulen och DNA-skärningskomponenten som har gjort CRISPR-Cas-systemen så kända. Dessa egenskaper och deras strikta koppling till mobila cirkulära DNA-molekyler, kallade plasmider, motiverade oss att ta på oss uppgiften att lösa deras spännande roll och underliggande molekylära funktioner," förklarar Fabienne Benz, postdoc vid Köpenhamns universitet och medförfattare till en studie om detta ämne publicerad i Cell Host &Microbe .
Med kännetecknet för CRISPR-Cas är deras förmåga att skära DNA på specifika platser, fungerar typ IV-systemen på ett helt annat sätt. De saknar den typiska nukleas-"saxen" men har istället en DinG-helikas – ett mystiskt protein som lindar upp DNA.
"Vändpunkten i den här undersökningen kom när vi insåg att typ IV-system inte skär DNA. Istället fann vi att de tystar genuttryck på sina målplatser. Detta är en unik funktion som kan ha viktiga biotekniska tillämpningar", säger Rafael Pinilla -Redondo, biträdande professor vid institutionen för biologi, och huvudforskningskoordinator för utredningen.
Forskarna nådde ännu ett genombrott när de löste hur dessa system kan fungera utan de nödvändiga komponenterna för att skapa immunminne.
"Typ IV-system kan kringgå bristen på en minnesinsamlingsmodul genom att kapa kompatibla moduler från andra CRISPR-Cas-system som finns i värdbakterien. Detta är fascinerande eftersom dessa andra system bara är avlägset relaterade", förklarar Sarah Camara-Wilpert, co- första författare till denna studie.
Men vad handlar all hype om? Tja, det visar sig att typ IV-system har en markant tendens att naturligt rikta in sig på plasmider, snarare än bakteriella virus. Viktigt är att de riktade plasmiderna ofta har flera antibiotikaresistensgener som de som finns i sjukhussuperbugs. Antimikrobiell resistens beräknas vara direkt ansvarig för över 1 miljon dödsfall årligen på grund av behandlingsmisslyckande.
Inspirerade av sin naturliga plasmidinriktningsfunktion, omprogrammerade forskarteamen effektivt ett typ IV-system för att selektivt tysta resistensgener som bärs av en högriskbakterie från inlagda patienter.
"Våra resultat tyder på att typ IV-systemen har potential som ett nytt sätt att bekämpa antibiotikaresistens, eftersom vi kunde återsensibilisera en viktig patogen för antibiotikabehandling", säger professor Søren Sørensen, den sista författaren till studien.
Denna studie var ett stort tvärvetenskapligt arbete som involverade sju internationella forskargrupper från olika länder. Även om projektet startade som ett samarbete mellan bara två grupper, tog det gradvis fart och lockade partners med olika expertis.
"Vi upplevde en underbar snöbollseffekt, där varje ny partner förstärkte effekten av arbetet genom att dela med sig av sina unika färdigheter och ge avgörande insikter för att lösa mysterierna kring typ IV-system. Det har varit ett samarbetande tour-de-force, exakt hur vetenskapen borde vara", konstaterar Pinilla-Redondo.
Mer information: Fabienne Benz et al, Type IV-A3 CRISPR-Cas-system driver inter-plasmidkonflikter genom att skaffa spacers i trans, Cell Host &Microbe (2024). DOI:10.1016/j.chom.2024.04.016
Journalinformation: Cellvärd och mikrober
Tillhandahålls av Köpenhamns universitet
