A CRISPR-rendszert ma programozható génszerkesztő eszközként ismerjük, eredeti feladata azonban a baktériumok és archeák védelme a vírusokkal szemben. Két új tanulmány most egy ennél korábbi evolúciós réteget tárt fel: egy vírusokban és baktériumokban fennmaradt, rendkívül egyszerű rendszer RNS segítségével ismer fel DNS-szakaszokat, miközben felépítése több ponton a CRISPR ősi változataira emlékeztet. A VIPR nevű molekuláris gépezet arra utal, hogy az RNS által vezérelt védekezést a baktériumok részben éppen vírusoktól vehették át.
A CRISPR-Cas rendszerek egyik alapvető alkotóeleme a vezető RNS. Ennek nukleotidsorrendje meghatározza, hogy a rendszer melyik idegen DNS-szakaszt keresse meg. A ma ismert CRISPR-mechanizmusokban a vezető RNS általában folytonos bázispárosodással kapcsolódik a célponthoz, majd a hozzá társuló Cas-fehérje elvágja vagy más módon hatástalanítja a DNS-t.
Peter Yoon és munkatársai a CRISPR első osztályába tartozó rendszerek eredetét keresték. Ezekben több, úgynevezett RAMP-fehérje sorakozik fel a vezető RNS mentén, és együtt építi fel a célt felismerő komplexet. A RAMP-ok nagyon régiek és széles körben elterjedtek, evolúciós kiindulópontjuk mégis bizonytalan volt. A kutatók ezért a fehérjék aminosavsorrendje mellett háromdimenziós szerkezetüket is figyelembe vevő számítógépes keresést végeztek. Így találtak rá a VIPR-re, vagyis a „viral interference programmable repeat” rendszerre.
A VIPR meglepően kis molekuláris készlettel működik. Egy ismétlődő egységekből felépülő fehérjéhez rövid, nem kódoló RNS kapcsolódik. Ennek egyes részei a fehérjét tartják a megfelelő helyzetben, más szakaszai pedig a felismerendő DNS-t határozzák meg. A természetes célpontok között gyakran más bakteriofágok, azaz baktériumokat fertőző vírusok genomjai jelentek meg. Ez arra utal, hogy a VIPR eredetileg a gazdasejtet egyidejűleg megtámadó vírusok közötti versengés eszköze lehetett.
A kutatók Escherichia coli baktériumokban is kipróbálták a rendszert. Megváltoztatták a vezető RNS célfelismerő szakaszát, majd megvizsgálták, képes-e a VIPR egy kiválasztott gén működését elnyomni. A rendszer csökkentette egy fluoreszcens jelzőfehérje termelődését, és megfelelő vezető RNS-sel egy támadó fág szaporodását is akadályozta. A VIPR tehát valóban programozható DNS-felismerő rendszer, nem csupán a genomok összehasonlításából kikövetkeztetett evolúciós maradvány.
A célpont kiválasztása szokatlan szabály szerint történik. A vezető RNS két DNS-bázist olvas le, egyet kihagy, majd ismét két bázist ellenőriz. Ez a „kettő–kihagyás–kettő” mintázat végigvonul a felismert szakaszon. A folytonos illeszkedés helyett a rendszer szabályos közökkel elhelyezkedő betűket használ, mintha egy szöveg minden harmadik karakterét figyelmen kívül hagyná.
A szerkezeti vizsgálatok megmutatták, hogyan lehetséges ez. A VIPR-fehérjék ismétlődő egységei meghatározott geometriai helyzetben tartják a vezető RNS-t, és mechanikusan szétnyitják a kettős szálú DNS-t. Az RNS, valamint a DNS két szála átmenetileg hármas nukleinsav-szerkezetet alkot. A jól ismert CRISPR-rendszerek ezzel szemben többnyire úgynevezett R-hurkot hoznak létre: a vezető RNS az egyik DNS-szál helyére lép, a másikat pedig kiszorítja. A VIPR-ben a fehérje által kialakított geometria nagyobb szerepet kap, mint a megszakítás nélküli bázispárosodás.
A két Science-tanulmány igazolt eredménye a VIPR természetes előfordulása, molekuláris felépítése, DNS-felismerési szabálya és laboratóriumi programozhatósága. Az evolúciós kapcsolat ennél óvatosabban fogalmazható meg.
A VIPR fehérjéi szerkezetileg rokonok a CRISPR RAMP-fehérjéivel, és a két rendszer működésében is világos párhuzamok láthatók. Ebből a kutatók azt a modellt állították fel, hogy egy baktérium valamelyik őse elfoghatott egy vírusok közötti versengésre szolgáló rendszert, majd saját vírusellenes védelméhez alakíthatta át.
Ezt a történeti láncot közvetlenül nem lehet megfigyelni. A döntő bizonyítékot olyan köztes rendszerek adnák, amelyek a VIPR egyszerű szerkezetét már a CRISPR-re jellemző memóriafunkcióval vagy DNS-hasító egységekkel kapcsolják össze. Az nem biztos, hogy valamennyi első osztályú CRISPR-rendszer egyetlen VIPR-szerű ősből származik. Az evolúció során különböző elemek többször is egyesülhettek vagy szétválhattak.
A technológiai alkalmazás szintén lehetőség, bár nem egyszerű. A VIPR nagyon kicsi, vezető RNS-e könnyen átprogramozható, felismerési szabálya pedig eltér a jelenlegi Cas-fehérjékétől. Elméletileg DNS-szakaszok megjelölésére, gének szabályozására vagy epigenetikai módosítására lehetne használni, ha megfelelő működtető fehérjével kapcsolják össze. Maga a természetes VIPR azonban elsősorban felismeri és szétnyitja a DNS-t; abból, hogy baktériumban elnyomott egy gént, még nem következik biztonságos és pontos szerkesztés emberi sejtekben.
A felfedezés legmélyebb tanulsága az evolúciós fegyverkezési verseny irányának megfordulása. A baktériumok vírusellenes rendszere talán egy olyan eszközből fejlődött ki, amelyet korábban vírusok használtak más vírusok ellen. Ugyanaz a molekuláris megoldás így három különböző szerepet kaphatott: előbb a fágok versengését szolgálta, később mikrobiális immunrendszerré vált, végül az emberi géntechnológia egyik leghatékonyabb eszközcsaládjához vezetett.
Források: Science
