יישומים חדשים של מערכת CRISPRs בהנדסת גנום

יישומים חדשים של מערכת CRISPRs בהנדסת גנום

תקציר

מערכת CRISPR/Cas היא מערכת הגנה מפני וירוסים הנפוצה בפרוקריוטים שהתגלתה לפני כ-10 שנים. במערכת זו נעשה שימוש בגדיל RNA יחיד "מכוון" בכדי לזהות DNA זר ולהובילו לפירוק באמצעות שני אלמנטים: חלבוני Cas שאחראים על פירוק הרצף ה"זר" ורצפי RNA חוזרניים, אשר "מכוונים" את הפעילות של Cas. האפשרות לכוון נוקלאוזות מסוג Cas באופן יעיל ומדויק הופכות את CRISPR/Cas למערכת יעילה, רב-תכליתית ושימושית ביישומים רבים של הנדסת גנום. כך גילוייה של מערכת הגנה הקיימת בפרוקריוטים הובילה לפיתוח כלים ומודלים חדשים בתחום הנדסת הגנום – יצירת מודיפיקציות מכוונות בגנום עצמו, במאפייניו ובתוצריו. לצד הצורך בחקר מקיף של המערכת, בהבנתה המלאה ובפיתוח כלים שנמצאים בשלב תיאורטי בלבד, ישנה הבטחה עצומה לשינוי פני עולם מדע, הרפואה והביוטכנולוגיה ביכולת להנדס גנום אאוקריוטי באופן יעיל.

תוכן עניינים

מבוא 4
CRISPR/Cas כמערכת חיסון 4
מנגנון הפעילות ומבנה המערכת של CRISPR 6
הנדסת גנום 8
שימושים ב- CRISPR/Cas 10
אפשרויות ושימושים עתידיים במערכת 11
סיכום ומסקנות 13
בבליוגרפיה 14

רשימת איורים

איור 1: מנגנון הפעילות של CRISPR במיקרובים. 7
איור 2: נוקלאז Cas9 במערכת CRISPR. 9

מבוא

מיקרובים נאלצים להתמודד עם מאפיינים עוינים בסביבתם כגון טמפרטורות קיצוניות, מחסור במזון, טריפה ומחלות (Horvath & Barrangou, 2012). בין היתר, מיקרובים חשופים ללא הפסקה לבקטריופאג'ים, וירוסים התוקפים בקטריות ויש הטוענים כי הם האורגניזמים הנפוצים ביותר על פני כדוה"א (Breitbart & Rohwer, 2005). בסביבתם, חשופים המיקרובים גם ל-DNA אקסוגני בשל תהליכים חיוניים כמו התמרה (מעבר DNA מחיידק אחד לאחר באמצעות נגיף), קוניוגציה (מעבר DNA חיידקי באמצעות מגע ישיר בין תאים) וטרנספורמציה (שילוב DNA אקסוגני בגנום). תהליכים אלו תורמים להתאמת המיקרוב לסביבתו המשתנה (Horvath & Barrangou, 2012).
הימצאות וירוסים בסביבתם של מיקרובים לצד תהליכים הקשורים ב-DNA אקסוגני השפיעו בצורה משמעותית על האבולוציה והאקולוגיה של בקטריות. המנגנונים הקיימים בבקטריות מאפשרים לחיידק לזהות בין DNA "זר" ל"עצמי" ולשרוד חשיפה ל-DNA "זר", באופן שישמר את ה-DNA של התא אך יאפשר שילוב DNA אקסוגני במקרה הצורך (Horvath & Barrangou, 2012). אסטרטגיות שונות להשגת מטרה זו הן מניעת ספיגת DNA, חסימה של נסיונות להזרקת DNA, דחיה של ה-DNA הזר ומערכות למניעת הדבקה (Sturino & Klaenhammer, 2006). מערכות אחרות פונות ספציפית לחומצות גרעין פולשות, כמו מערכת R-M (restriction-modification) בבקטריה. מערכות R-M כוללות אנדונוקלאוזות שחותכות DNA דו-גדילי ברצפים ספציפיים באופן שמכוון אותם לפירוק בתא, וכך מתפרק DNA זר. הזיהוי של DNA "עצמי" מתרחש באמצעות מודיפיקציות, לרוב באמצעות קבוצת מתיל, שמונעות את החיתוך ע"י אנדונוקלאוזות (Waldron & Lindsay, 2006).
לפני כ-10 שנים התגלתה מערכת נוספת שמשמשת כמערכת חיסון בפרוקריוטים באמצעות זיהוי DNA "זר" בשם CRISPR. מערכת מורכבת זו מובילה DNA "זר" לפירוק באמצעות זיהוי מדויק בעזרת רצף RNA "מכוון". בזכות הזיהוי המדויק, היכולת להעביר את המערכת בין אורגניזמים ויכולת ההנדסה והיצירה של מולקולות RNA "מכוונות", חקר והבנת המערכת הובילו לפיתוח כלים מתקדמים בהנדסת גנום המציעים מגוון אפשרויות למחקר בתחום הביוטכנולוגיה, ההנדסה, חלק המחלות ואף פיתוח תרפיה גנטית.