تجد خوارزمية جديدة الكثير من إنزيمات تحرير الجينات في الحمض النووي البيئي

كريسبر – التكرارات المتناوبة القصيرة المتجمعة والمتباعدة بانتظام – إجابة العالم الميكروبي على المناعة التكيفية. لا تصنع البكتيريا أجسامًا مضادة عندما يتم غزوها بواسطة مسبب المرض، وبعد ذلك عندما تواجه نفس العامل الممرض مرة أخرى، فإننا نحجب تلك الأجسام المضادة. وبدلاً من ذلك، يقومون بإدخال بعض الحمض النووي الخاص بمسبب المرض في الجينوم الخاص بهم، ويربطونه بإنزيم يتعرف على تسلسل الحمض النووي الخاص بمسبب المرض، ويقطعونه إلى أجزاء إذا ظهر العامل الممرض مرة أخرى.

يسمى إنزيم القطع المرتبط بـ CRISPR بـ Cas. على الرغم من أن نظام كريسبر-كاس نشأ كآلية دفاع بكتيرية، فقد تم استخدامه وتكييفه من قبل الباحثين كأداة قوية للتلاعب الجيني في الدراسات المختبرية. كما أظهر أيضًا تطبيقات زراعية، وتمت الموافقة على أول علاج قائم على تقنية كريسبر في المملكة المتحدة لعلاج مرض فقر الدم المنجلي والثلاسيميا بيتا المعتمدة على نقل الدم.

الآن، طور الباحثون طريقة جديدة للبحث في الجينات عن الأنظمة المشابهة لـCRISPR-Cas. ووجدوا أنه قد يكون لدينا الكثير من الأدوات للعمل بها.

يغير الحمض النووي

حتى الآن، تم تحديد ستة أنواع من أنظمة كريسبر-كاس في الكائنات الحية الدقيقة المختلفة. وعلى الرغم من أنها تختلف في التفاصيل، إلا أنها تتمتع جميعًا بجاذبية مماثلة: فهي توفر البروتينات لتسلسل معين من المادة الوراثية. يمكن برمجة أي تسلسل للحمض النووي محل الاهتمام بالكمبيوتر واستهدافه.

عادةً ما تقوم الأنظمة الأصلية الموجودة في الميكروبات بإحضار إنزيم تقسيم الحمض النووي إلى تسلسل لقطع المادة الوراثية للميكروب. ويمكن استخدام هذه القدرة على قطع أي تسلسل محدد للحمض النووي في تحرير الجينات؛ بالاشتراك مع الإنزيمات الأخرى و/أو تسلسلات الحمض النووي، يمكن استخدامه لإصلاح الجينات الطافرة وإدراج أو حذف تسلسلات قصيرة إضافية. تقوم بعض أنظمة كريسبر-كاس بقص جزيئات معينة من الحمض النووي الريبي (RNA) بدلاً من الحمض النووي (DNA). ويمكن استخدامها لإزالة الحمض النووي الريبي (RNA) المسبب للأمراض، مثل جينات بعض الفيروسات، بنفس الطريقة التي تتم بها إزالتها في البكتيريا الخاصة بها. ويمكن استخدامه أيضًا لتصحيح العيوب في معالجة الحمض النووي الريبي (RNA).

لكن العديد من الطرق الإضافية لتعديل الأحماض النووية مفيدة. ما إذا كانت الإنزيمات المعدلة الإضافية قد تطورت هي مسألة مفتوحة. لذلك قرر بعض الباحثين البحث عنهم.

طور الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أداة جديدة للكشف عن تسلسلات كريسبر المتغيرة وطبقوها على 8.8 تيرا (1012) زوجًا أساسيًا من معلومات الجينوم بدائية النواة. العديد من الأنظمة التي وجدوها نادرة ولم تظهر في مجموعة البيانات إلا في السنوات العشر الماضية، مما يسلط الضوء على مدى أهمية الاستمرار في إضافة عينات بيئية كان من الصعب الوصول إليها سابقًا إلى مجموعات البيانات هذه.

كانت هناك حاجة إلى الأداة الجديدة لأن قواعد البيانات الخاصة بتسلسلات البروتين والأحماض النووية كانت تتوسع بمعدل مثير للسخرية، لذا كان لا بد من مواكبة تقنيات تحليل كل تلك البيانات. تحاول بعض الطرق المستخدمة لتحليلها مقارنة كل تسلسل ببعضه البعض، وهو أمر غير مقبول بوضوح عند التعامل مع مليارات الجينات. ويعتمد آخرون على التجميع، لكن هذه الجينات لا تجد سوى جينات متشابهة للغاية، لذلك لا يمكنها تسليط الضوء حقًا على العلاقات التطورية بين البروتينات ذات الصلة البعيدة. لكن التجميع السريع القائم على الهاشتاج الحساس للمنطقة (“FlashCluster”) يعمل عن طريق تجميع مليارات البروتينات في تسلسلات مختلفة قليلاً من تسلسلات صغيرة وكبيرة لتحديد أقارب جدد ونادرين.

أسفر البحث باستخدام FLSHclust بنجاح عن 188 نظام CRISPR-Cas جديد.

الكثير من CRISPyness

ظهرت بعض المواضيع من العمل. على سبيل المثال، تستخدم بعض أنظمة كريسبر التي تم تحديدها حديثًا إنزيمات كاس مع مجالات لم يتم رؤيتها من قبل أو يبدو أنها ترتبط بجينات معروفة. قام العلماء أيضًا بتمييز بعض هذه العناصر، ووجدوا أن أحدهما كان أكثر تحديدًا من إنزيمات كريسبر المستخدمة حاليًا، والآخر الذي يقطع الحمض النووي الريبي (RNA) الذي اقترحوه كان مختلفًا هيكليًا بما يكفي لاحتواء النوع السابع الجديد تمامًا من نظام كريسبر-كاس.

استمرار لهذا الموضوع هو ارتباط ليس فقط النيوكلياز (الإنزيمات التي تقطع الحمض النووي والحمض النووي الريبي) مع تسلسلات كريسبر، ولكن أيضًا الإنزيمات ذات الوظائف المختلفة. لقد استغل العلماء إمكانات كريسبر الرائعة في استهداف الجينات من خلال دمجها مع أنواع أخرى من الإنزيمات والجزيئات، مثل الأصباغ الفلورية. لكن من الواضح أن التطور جاء أولاً.

على سبيل المثال، حدد FLSHclust إنزيم الترانسبوزيز المرتبط بنوعين مختلفين من أنظمة كريسبر. الترانسبوزيز هو إنزيم يسمح لمقطع محدد من الحمض النووي بالانتقال إلى جزء آخر من الجين. لقد شوهدت عملية ترنسفكأيشن الموجهة بواسطة كريسبر RNA من قبل، ولكن هذا مثال آخر. تم ربط مجموعة كاملة من البروتينات ذات الوظائف المتنوعة، مثل البروتينات ذات مجالات الغشاء وجزيئات الإشارة، بتسلسلات كريسبر، مما يسلط الضوء على طبيعة المزج والتطابق في تطور هذه الأنظمة. اكتشفوا أيضًا بروتينًا مُعبَّرًا عن الفيروس يرتبط بتسلسلات كريسبر ويعطلها، مما يؤدي بشكل أساسي إلى تعطيل نظام كريسبر الذي تطورته الفيروسات للحماية من الفيروسات.

لم يعثر الباحثون على بروتينات جديدة مرتبطة بتسلسلات كريسبر فحسب، بل وجدوا أيضًا تسلسلات متكررة أخرى متباعدة بانتظام تشبه كريسبر ولكنها غير مرتبطة بأي إنزيمات غير كريسبر كاس. إنهم لا يعرفون ما هي وظيفة هذه الأنظمة الموجهة بالحمض النووي الريبوزي (RNA)، لكنهم يتوقعون أنها تشارك في الدفاع بطريقة مشابهة لتقنية كريسبر.

“لقد شرع المؤلفون في اكتشاف كتالوج البروتينات الموجهة بالـ RNA والتي من شأنها توسيع فهمنا لبيولوجيا هذه الأنظمة وتطورها وتوفير نقطة انطلاق لتطوير تقنيات حيوية جديدة.” ويبدو أنهم قد حققوا هدفهم: “تظهر النتائج أن هذا العمل يكشف عن مرونة تنظيمية ووظيفية غير مسبوقة ونمطية لأنظمة كريسبر”، كما كتبوا، وخلصوا إلى أن: “هذا لا يمثل سوى جزء صغير من الأنظمة المكتشفة، لكنه يوضح التنوع البيولوجي للأرض والإمكانات غير المستغلة. وسيكون المرشحون الباقون بمثابة مورد للبحث المستقبلي.

المادة DOI: 10.1126/science.adi1910