|  |
این مقاله آموزشی درباره مکانیسم سیستم کریسپر در باکتری ها به عنوان یک سیستم ایمنی تطابق پذیر برای مقابله با ویروس ها و مراحل آن می باشد. در مقالات بعدی کاربرد این سیستم برای ویرایش ژنومی سایر موجودات شرح داده خواهد شد.
باکتری‌ها بیشترین تعداد اشکال حیات بر روی کره زمین را در بر می گیرند. باکتری‌ها پروکاریوت محسوب می شوند، موجوداتی تک سلولی که سلول یا ساختاری ژنومی چندان پیچیده‌ای ندارد. این نبود پیچیدگی آنها را به اهدافی خوبی برای ویروس‌ها و فاژها تبدیل می‌کند. اما از آنجا که تمامی موجودات برای بقای خود تلاش می کنند، پروکاریوت ها نیز برای حفاظت از خودشان در برابر چنین حملاتی، از نوعی مکانیزم دفاعی برخوردارند. از طرف دیگر، ویروس‌ها تهدید جدی برای باکتری‌ها به شمار می‌روند زیر میتوانند به آسانی مکانیزم‌های دفاعی آنها را دور بزنند. بنابراین، باکتری‌ها برای حفظ بقای خودشان سیستم ایمنی انطباق پذیر را توسعه داده‌اند که آنها را قادر به مقابله با این تهدید می‌سازد. از آنجا برای هر سلول باکتریایی دشمنان ویروسی زیادی وجود دارند، وجود یک سیستم ایمنی انطباق پذیر سودمند است و کریسپر سیستمی است که همانند یک سیستم ایمنی انطباق پذیر برای پروکاریوت‌ها عمل می‌کند.
تناوب‌هایِ کوتاهِ پالیندرومِ فاصله‌دارِ منظمِ خوشه‌ای (به اختصار کریسپر) مجموعه‌ای از تکرارهای توالی دی‌ان‌ای درون ژنوم پروکاریوت‌ها هستند، که میتوانند سیستم ایمنی قابل انطباقی را برای باکتری‌ها فراهم آورند. سیستم کریسپر-کس ترکیبی قادر است ویروس‌های با ژنوم دی‌ان‌ای یا آران‌ای را که به باکتری حمله می‌کند، هدف قرار دهد. توالی های کریسپر برای اولین بار به صورت تصادفی در ژنوم اشریشیا کلی مشاهده شد ولی در آن زمان با جزئیات کامل درک نشده بود. آزمایش‌هایی که بعداً توسط گروه‌های مختلف انجام شدند، حضور تکرارهای مستقیم در ژنوم تعدادی از پروکاریوت را تایید کردند. عناصر تشخیصی که برای خنثی‌سازی عناصر ویروسی استفاده می‌شوند «فاصله‌انداز» نامیده شدند که بین توالی های تکراری مستقیم قرار می‌گیرند. پس از آلودگی با ویروسی جدید، امکان شناسایی فاصله‌اندازهای جدید و قرار دادن آنها در ژنوم باکتری‌های میزبان فراهم میشود، که می توانند به عنوان عناصر تشخیص احتمالی در آینده استفاده شوند. علاوه بر این، برای اینکه سیستم ایمنی بتواند بدون نقص کار کند، به مجموعه‌ای از ژن‌های مرتبط با کریسپر یا کَس نیاز دارد که در نزدیکی مکان کریسپر قرار دارند. سیستم کریسپر-کس همچنین از پروتئین‌های کَس نیز تشکیل شده است که مسئول فعالیت‌های مختلفی از جمله فعالیت‌های هلیکازی و نوکلئازی هستند.
برای درک بهتر سیستم کریسپر، باید ایمنی در برابر عفونت را در پروکاریوت‌ها درک کنیم. این فرآیند سه مرحله دارد: انطباق، بیان و تداخل.
هر مرحله با مجموعه‌ای از فعالیت‌‌ها یا توالی‌ها خاص مشخص شده که باعث تداخل در فعالیت ذرات ویروسی بیگانه می¬شود. در فاز انطباق، آلودگی ویروسی و توالی‌های فاصله‌انداز بالقوه ویروس تشخیص داده شده و در بخشی از ژنوم باکتری که آرایه کریسپر نامیده شده است، وارد می‌شوند. این مرحله در زمان غلبه بر یک ویروس مهاجم صورت می گیرد.
در فاز بیان، لوکوس (مکان ژنی) کریسپر (توالی¬های ویروس هایی که قبلاً به باکتری حمله کرده و در فاز انطباق درون ژنوم باکتری درج شده بودند) به صورت یک آران‌ای پیش‌ساز رونویسی میشود. همچنین ژن‌های کس همجوار نیز رونویسی شده و پروتئین‌های کس تولید می شود تا با برش آران‌ای پیش‌ساز کریسپری آن را به آران‌ای کریسپری بالغ تبدیل نمایند.
در فاز تداخل نهایی، آران‌ای کریسپر بالغ بصورت هماهنگ با تعدادی از پروتئین‌های کس بیان شده عمل می‌کند. این آران‌ای محل اسید نوکلئیک هدف بر روی ژنوم ویروس مهاجم جدید را تشخیص می‌دهد و در هماهنگی با سایر اجزای این سیستم، حمله ویروس را خنثی می کند. مجموعه این فرآیند ایمنی پروکاریوت‌ها را در مقابل ویروس ها تامین می کند.
انطباق کریسپر اولین فاز فرآیند است و اهمیت ویژه‌ای دارد زیرا خاطره‌ای از آلودگی های ویروسی قبلی را فراهم می‌کند و بدین ترتیب به فازهای بیان و تداخل که پس از آن اجرا می‌شوند، کمک می‌کند. فاز انطباق شامل دریافت و درج توالی های فاصله‌انداز (از ژنوم ویروس) در ژنوم باکتری است که هنوز نحوه انجام آن به طور کامل درک نشده است. مشخصاً دو پروتئین کس حفاظت‌شده به نام‌های کس۱ و کس۲ نقش مهمی را در شناسایی توالی های فاصله‌انداز و درج آنها در آرایه کریسپری ژنوم پروکاریوتی برای استفاده در مراحل بعدی بیان و تداخل در برابر حملات فاژ یا ویروس ایفا می‌کنند. کل این فرآیند را می‌توان به دو سطح تقلیل داد؛ اول انتخاب فاصله‌اندازهای بالقوه و ایجاد توالی فاصله‌انداز و دوم ادغام این توالی فاصله‌انداز ایجادشده در آرایه کریسپر ژنوم پروکاریوتی.
انتخاب فاصله‌انداز نیز اتفاقی صورت نمی گیرد؛ توالی‌های مشخصی در هدف وجود دارند که منجر به انتخاب توالی فاصله‌انداز می شوند. حضور یک توالی کوتاه ۳ تا ۵ نوکلئوتیدی به نام موتیف مجاور توالی¬های فاصله‌انداز اولیه (protospacer adjacent motif یا به اختصار PAM) در کنار هدف احتمالی اهمیت زیادی برای برای انتخاب آن به عنوان یک توالی فاصله انداز بالقوه دارد. PAM اهمیت ویژه‌ای برای کریسپر پروکاریوتی دارد زیرا به تشخیص توالی خودی از توالی بیگانه کمک می‌کند.
ترجمه و تکمیل: کسری اصفهانی
|
|
