Krivende genetiske parasitter kan føre til nyt forsvar mod farlige bakterier

CRISPR-Cas er blevet lidt af en superstjerne i løbet af det seneste årti som et genredigeringsværktøj med revolutionerende potentiale, især inden for sundhedsvidenskab. Oprindeligt kendt som et immunforsvar i bakterier, har naturligt forekommende CRISPR-Cas vist sig mere forskelligartet og alsidigt i naturen, end videnskabelige forskere engang troede. Nu har en gruppe forskere ved Københavns Universitets Biologisk Institut undersøgt forekomsten af ​​CRISPR-Cas-systemer i plasmider.

Forskerne undersøgte mere end 30.000 komplette plasmidgenomer og fandt CRISPR-Cas i omkring tre procent af dem - en høj andel selv sammenlignet med bakterier. De fandt også forskellige repræsentanter for så mange som fem ud af de seks kendte typer af CRISPR-Cas i de undersøgte plasmidgenomer. Resultaterne viser, at CRISPR-Cas-systemer er både udbredte og forskellige i plasmider, og interessant nok, at langt de fleste af dem er målrettet mod andre plasmider.

"Delvis er dette spændende, fordi det understøtter en nyere forståelse af plasmider som havende en højere grad af autonomi fra deres værtsceller, typisk bakterier. Men også, fordi det på længere sigt kan åbne veje til at bekæmpe virulens og resistens. i bakterier, som plasmider hjælper med at sprede,« forklarer Rafael Pinilla-Redondo, der er en af ​​undersøgelsens hovedforskere og har base på Københavns Universitets Biologisk Institut.

CRISPR fungerer som en genomisk GPS, hvor en lagret hukommelse af fremmede DNA-fragmenter kan bruges til at lokalisere et mål for Cas-proteiner, den "genetiske saks". I størstedelen af ​​undersøgelsens resultater var det DNA fra andre plasmider, der blev opdaget i immunhukommelsen i CRISPR-Cas-systemerne – dvs. placeret i trådkorset.

Del af et paradigmeskifte

Det tyder ifølge forskerne på en kamp om ressourcer blandt plasmider, hvor plasmider tjener deres egne interesser ved at arbejde aktivt på at forhindre andre plasmider i at få adgang til værtsbakterien, som de opholder sig i. I denne kamp bruger de CRISPR som et våben.

Forskerne havde mulighed for samtidig at undersøge værtsbakterierne i 30.000+ plasmiddatasættet for de samme CRISPR-Cas-sekvenser. Ideen var at undersøge, om sekvenserne fundet i plasmider afspejlede CRISPR-indholdet i værtsceller, men dette var generelt ikke tilfældet.

"Vores resultater tyder på, at plasmider har en høj grad af autonomi fra de bakterier, de lever i. Mens plasmider er afhængige af deres vært, er de også genetisk uafhængige enheder, der tjener deres egne interesser. Deres forskellige CRISPR-Cas-indhold er et godt eksempel på denne autonomi," siger Rafael Pinilla-Redondo.

De nye forskningsresultater vil bidrage til, hvad forskerne betragter som et paradigmeskifte inden for mikrobiologi. I mikrobiologi refererer genflow eller genoverførsel til, når genetisk materiale bevæger sig mellem celler, medierede mobile genetiske elementer. Mens nogle mobile genetiske elementer får lov at glide ind, til fordel for en celle, stoppes andre, fordi de er skadelige. Den almindelige forståelse har længe været, at bakterier styrer genstrømmen.

Paradigmeskiftet peger på en forståelse af, hvor bakterier faktisk spiller en langt mindre vigtig rolle ved at påvirke genflowet.

"Det, der engang blev antaget for at være bakterier, der kæmpede for at beskytte sig mod genetiske parasitter, som vira og plasmider, er langt mere komplekst. Måske skal det forstås bedre som, at parasitterne f.eks. kæmper indbyrdes, om hvilke der skal have lov til at leve bag en ko's øre," forklarer Rafael Pinilla-Redondo.

Muligheden for nye våben mod antibiotikaresistens

Den nye viden om, hvordan plasmider bruger CRISPR, kan påvirke, hvordan vi bekæmper farlige bakterier i fremtiden. Plasmider er nøglen til spredningen af ​​skadelige gener mellem bakterier gennem det, der er kendt som horisontal genoverførsel.

Udbredelsen af ​​genetisk materiale er afgørende for bakteriers evne til at tilpasse sig nye miljøer og udfordringer. Fra en antibiotikaresistent bakterie kan et plasmid kopiere sig selv og overføre denne egenskab til omgivende bakterier som en del af sit eget DNA.

Som sådan kan kampe mellem plasmider hjælpe forskere med at lære mere om, hvordan man også bekæmper dem.

"Ved at forstå, hvordan plasmider konkurrerer indbyrdes, kan vi måske lære, hvordan vi bremser dem og dermed bremse spredningen af ​​antibiotikaresistens og virulente, skadelige egenskaber mellem bakterier," siger Søren Johannes Sørensen, professor i mikrobiologi og medforfatter til forskningsartiklen.

"På lang sigt er det muligt, at vi vil være i stand til at gøre plasmidernes strategier til vores egne og bruge dem som værktøjer. Uden at låne fra naturen ville vi være ret begrænsede. Men hvis vi kan lære om styrkerne og svaghederne ved plasmider fra dem selv, vil der opstå muligheder," siger han.

Hvad betyder CRISPR-Cas?

DNA-fragmenter (CRISPR) og Cas-proteinsakse (f.eks. Cas9) kan lokalisere specifikke DNA-sekvenser og klippe dem.

Det forudsiges, at CRISPR-Cas kommer til at spille en revolutionerende rolle som genredigeringsværktøj, ikke mindst inden for sundhedsvidenskab, til behandling af blandt andet genetiske lidelser.

CRISPR-systemer blev oprindeligt set som et immunsystem for bakterier, især mod vira. Men mange forskere ser nu CRISPR-Cas som et "guns for Hire"-værktøj, der kan anvendes til en lang række formål af mange forskellige aktører, herunder bakterier, plasmider – og mennesker.

Hvad er et plasmid?

Et plasmid er et lille ringformet DNA-molekyle, et såkaldt mobilt genetisk element, der findes i bakterier og visse andre typer mikroorganismer.

Det minder om vira, da begge er parasitter i celler. Plasmider kan reproducere uafhængigt af værtscellen og giver ofte fordele for værtscellen.

De kan blandt andet give eller overføre genetiske egenskaber til en bakterie, såsom ved at gøre den antibiotika-resistent eller sygdomsfremkaldende, i en proces kendt som horisontal genoverførsel.

Plasmider har længe været et vigtigt redskab i molekylærbiologien til blandt andet genkloning og indføring af genetisk materiale i bakterieceller.

Hvad er horisontal genoverførsel?

Horisontal genoverførsel er, når en organisme overfører gener til en anden organisme, der ikke er dens eget afkom.

Bakteriers evne til at tilpasse sig nye miljøer og udfordringer afhænger i høj grad af tilførslen af ​​nye gener på denne måde.

Fænomenet er ansvarlig for den truende antibiotikaresistenskrise, da bakterier hurtigt udvikler resistens over for antibiotika ved at erhverve resistente gener. Det er meget ofte medieret af plasmider, hvilket gør plasmidproliferation til et globalt folkesundhedsproblem.

Om undersøgelsen:Forskere skabte en CRISPR-scanner

For at studere forekomsten af ​​CRISPR-Cas i plasmider brugte forskerne den største samling af fuldstændigt sekventerede plasmidgenomer, et datasæt udarbejdet af forskere over hele verden.

For at håndtere de store mængder data udviklede forskere fra Biologisk Institut software til at scanne for kendte CRISPR-dele. Programmet, der hedder CRISPRCasTyper, er siden blevet gjort frit tilgængeligt for andre forskere. + Udforsk yderligere

Mennesker er ikke de første til at genbruge CRISPR