CRISPR-Cas is de afgelopen tien jaar een soort superster geworden als hulpmiddel voor het bewerken van genen met revolutionair potentieel, vooral in de gezondheidswetenschappen. Oorspronkelijk bekend als een immuunafweer in bacteriën, is het natuurlijk voorkomende CRISPR-Cas meer divers en veelzijdiger van aard gebleken dan wetenschappelijke onderzoekers ooit dachten. Nu heeft een groep onderzoekers van de afdeling Biologie van de Universiteit van Kopenhagen de prevalentie van CRISPR-Cas-systemen in plasmiden onderzocht.

De onderzoekers onderzochten meer dan 30.000 complete plasmidegenomen en vonden CRISPR-Cas in ongeveer drie procent daarvan - een hoog percentage zelfs in vergelijking met bacteriën. Ze vonden ook verschillende vertegenwoordigers van maar liefst vijf van de zes bekende soorten CRISPR-Cas in de bestudeerde plasmidegenomen. De resultaten tonen aan dat CRISPR-Cas-systemen zowel wijdverbreid als divers zijn in plasmiden en, interessant genoeg, dat de overgrote meerderheid van hen gericht is op andere plasmiden.

"Voor een deel is dit opwindend omdat het een recenter begrip ondersteunt van plasmiden die een hogere mate van autonomie hebben ten opzichte van hun gastheercellen, meestal bacteriën. Maar ook, omdat het op de lange termijn wegen kan openen om virulentie en resistentie te bestrijden in bacteriën, die plasmiden helpen verspreiden", legt Rafael Pinilla-Redondo uit, een van de belangrijkste onderzoekers van het onderzoek en verbonden aan de afdeling Biologie van de Universiteit van Kopenhagen.

CRISPR werkt als een genomische GPS, waarbij een opgeslagen geheugen van vreemde DNA-fragmenten kan worden gebruikt om een ​​doelwit voor Cas-eiwitten te lokaliseren, de "genetische schaar". In de meeste bevindingen van het onderzoek was het DNA van andere plasmiden dat werd ontdekt in het immuungeheugen van de CRISPR-Cas-systemen, d.w.z. geplaatst in het vizier.

Onderdeel van een paradigmaverschuiving

Volgens de onderzoekers suggereert dit een strijd om hulpbronnen tussen plasmiden, waarbij plasmiden hun eigen belangen dienen door actief te werken om te voorkomen dat andere plasmiden toegang krijgen tot de gastheerbacterie waarin ze zich bevinden. In deze strijd gebruiken ze CRISPR als wapen.

De onderzoekers hadden de mogelijkheid om tegelijkertijd de gastheerbacteriën van de 30.000+ plasmide-dataset te onderzoeken op dezelfde CRISPR-Cas-sequenties. Het idee was om te onderzoeken of de sequenties die in plasmiden worden gevonden de CRISPR-inhoud in gastheercellen weerspiegelen, maar dit was over het algemeen niet het geval.

"Onze bevindingen suggereren dat plasmiden een hoge mate van autonomie hebben ten opzichte van de bacteriën waarin ze leven. Hoewel plasmiden afhankelijk zijn van hun gastheer, zijn ze ook genetisch onafhankelijke entiteiten die hun eigen belangen dienen. Hun verschillende CRISPR-Cas-inhoud is een goed voorbeeld van deze autonomie", zegt Rafael Pinilla-Redondo.

De nieuwe onderzoeksresultaten zullen bijdragen aan wat de onderzoekers beschouwen als een paradigmaverschuiving in de microbiologie. In de microbiologie verwijst genstroom of genoverdracht naar wanneer genetisch materiaal tussen cellen beweegt, gemedieerde mobiele genetische elementen. Terwijl sommige mobiele genetische elementen naar binnen mogen glippen, ten voordele van een cel, worden andere tegengehouden omdat ze schadelijk zijn. De algemene opvatting is al lang dat bacteriën de genenstroom beheersen.

De paradigmaverschuiving wijst op een begrip waar bacteriën eigenlijk een veel minder belangrijke rol spelen bij het beïnvloeden van de genenstroom.

"Wat ooit werd beschouwd als bacteriën die vechten om zichzelf te beschermen tegen genetische parasieten, zoals virussen en plasmiden, is veel complexer. Misschien moet het beter worden begrepen als de parasieten die onderling vechten, bijvoorbeeld over welke parasieten moeten worden toegestaan leef achter het oor van een koe", legt Rafael Pinilla-Redondo uit.

De mogelijkheid voor nieuwe wapens tegen antibioticaresistentie

De nieuwe kennis over hoe plasmiden CRISPR gebruiken, kan van invloed zijn op hoe we gevaarlijke bacteriën in de toekomst bestrijden. Plasmiden zijn de sleutel tot de verspreiding van schadelijke genen tussen bacteriën door middel van wat bekend staat als horizontale genoverdracht.

De proliferatie van genetisch materiaal is cruciaal voor het vermogen van bacteriën om zich aan te passen aan nieuwe omgevingen en uitdagingen. Van een antibioticaresistente bacterie kan een plasmide zichzelf kopiëren en die eigenschap overdragen aan omringende bacteriën als onderdeel van zijn eigen DNA.

Als zodanig kunnen gevechten tussen plasmiden onderzoekers helpen om ook meer te weten te komen over hoe ze te bestrijden.

"Door te begrijpen hoe plasmiden onderling concurreren, kunnen we misschien leren hoe we ze kunnen vertragen en daardoor de verspreiding van antibioticaresistentie en virulente, schadelijke eigenschappen tussen bacteriën kunnen vertragen", zegt Søren Johannes Sørensen, hoogleraar microbiologie en co-auteur van het onderzoeksartikel.

"Op de lange termijn is het mogelijk dat we ons de strategieën van plasmiden eigen kunnen maken en ze als hulpmiddelen kunnen gebruiken. Zonder van de natuur te lenen, zouden we behoorlijk beperkt zijn. Maar als we kunnen leren over de sterke en zwakke punten van de plasmiden uit zichzelf, er zullen kansen ontstaan", zegt hij.

Wat betekent CRISPR-Cas?

DNA-fragmenten (CRISPR) en Cas-eiwitschaar (bijv. Cas9) kunnen specifieke DNA-sequenties lokaliseren en knippen.

Er wordt voorspeld dat CRISPR-Cas een revolutionaire rol zal spelen als hulpmiddel voor het bewerken van genen, niet in de laatste plaats in de gezondheidswetenschappen, onder meer voor de behandeling van genetische aandoeningen.

CRISPR-systemen werden oorspronkelijk gezien als een immuunsysteem voor bacteriën, met name tegen virussen. Veel onderzoekers zien CRISPR-Cas nu echter als een "Guns for Hire"-tool die kan worden ingezet voor een groot aantal doeleinden, door veel verschillende actoren, waaronder bacteriën, plasmiden en mensen.

Wat is een plasmide?

Een plasmide is een klein ringvormig DNA-molecuul, een zogenaamd mobiel genetisch element, dat wordt aangetroffen in bacteriën en bepaalde andere soorten micro-organismen.

Het doet denken aan virussen, omdat beide parasieten in cellen zijn. Plasmiden kunnen zich onafhankelijk van de gastheercel voortplanten en bieden vaak voordelen voor de gastheercel.

Ze kunnen onder andere genetische eigenschappen aan een bacterie geven of overdragen, bijvoorbeeld door deze antibioticaresistent of pathogeen te maken, in een proces dat bekend staat als horizontale genoverdracht.

Plasmiden zijn lange tijd een belangrijk hulpmiddel geweest in de moleculaire biologie voor onder meer het klonen van genen en het inbrengen van genetisch materiaal in bacteriële cellen.

Wat is horizontale genoverdracht?

Horizontale genoverdracht is wanneer een organisme genen overdraagt ​​naar een ander organisme dat niet zijn eigen nakomelingen is.

Het vermogen van bacteriën om zich aan te passen aan nieuwe omgevingen en uitdagingen hangt voor een groot deel af van de levering van nieuwe genen op deze manier.

Het fenomeen is verantwoordelijk voor de dreigende antibioticaresistentiecrisis, aangezien bacteriën snel resistentie tegen antibiotica ontwikkelen door resistente genen te verwerven. Het wordt heel vaak gemedieerd door plasmiden, waardoor de proliferatie van plasmiden een wereldwijd probleem voor de volksgezondheid wordt.

Over het onderzoek:onderzoekers hebben een CRISPR-scanner gemaakt

Om de prevalentie van CRISPR-Cas in plasmiden te bestuderen, gebruikten de onderzoekers de grootste verzameling van volledig gesequenced plasmidegenomen, een dataset samengesteld door onderzoekers over de hele wereld.

Om de grote hoeveelheden gegevens te beheren, ontwikkelden de onderzoekers van het departement Biologie software om te scannen op bekende CRISPR-onderdelen. Het programma, genaamd CRISPRCasTyper, is inmiddels vrij beschikbaar gesteld aan andere onderzoekers. + Verder verkennen

Mensen zijn niet de eersten die CRISPR hergebruiken