Yeni Anti-CRISPR Proteinler Toprakta ve İnsan Sindirim Siteminde Keşfedildi

Fotoğraf: Protein Veritabınına göre kimliği 5AXW (PDB ID 5AXW) olan ve beyaz ile gösterilen CRISPR ilgili proteini Cas9, Staphylococcus Aureus bakterisinden elde edilir. Görsel: Thomas Splettstoesser (Vikipedi, CC BY-SA 4.0)

Novo Nordisk Biyosürdürülebilirlik Vakıf Merkezi’ndeki (DTU) bilim adamları, farklı çevrelere dağılmış dört yeni anti-CRISPR proteini keşfetti. Cell Host & Microbe’da yayınlanın bu yeni çalışma, bazı anti-CRISPR proteinlerin doğada, beklenilenden daha hızlı bir şekilde yayılım gösterdiğini belirtiyor. Bu anti-CRISPRlar, CRISPR-Cas9 sistemlerinin aktivitelerini gelecekte daha iyi düzenlemede kullanılabilecek potansiyeldedirler.

CRISPR mekanizmaları, bakterinin enfeksiyona sebep olan virüslere (faj) karşı hedeflenmiş biçimde savaşmasına olanak sağlayan bakteriyel bağışıklık sistemleridir.

Programlanabilir ve doğal olması nedeniyle, bakterilerin CRISPR mekanizmaları ve özellikle Cas9 proteinleri, gen terapilerinde, yeni antibiyotiklerde ve malarya terapilerinde bir dönüm noktası yaratabilecek potansiyelde olduklarından, yaşam bilimi endüstrisinde geniş bir alana yayılmışlardır.

İlginç biçimde, bakteriyofajlar, bakteriler ve virüsler arasındaki evrimsel silahlanma yarışı içerisinde, bakteriyel CRISPR mekanizmalarını alt etmek için anti-CRISPR proteinlerine evrilmişlerdir. Bu proteinler, bağlandığı bakterinin savunma mekanizmalarını hızlı bir biçimde etkisiz hâle getirerek enfeksiyonlara karşı savunmasız bırakır.

Bakteriyofajların biyolojik önemine rağmen, şimdiye kadar sadece birkaç anti-CRISPR proteini, spesifik bakteri altsınıflarında keşfedilmiştir. Son zamanlarda keşfedilen anti-CRISPR proteinleri doğada fazla bulunmamakla beraber CRISPR-Cas9 barındıran bakterilere enfekte olabilen bakteriyofaj DNA’sı üzerine olan çalışma ile tanımlanmışlardır. Bu metodu kullanmak, sadece bakteri kültürü yapabilmeye ve endojen CRISPR-Cas9 sisteminin gözlemlenmesini engelleyebilen ve enfekte edebilen bakteriyofajlara dayanır.

“DNA sekanslarının benzerliği yerine anti-CRISPR proteinlerinin fonksiyonel aktivitelerine odaklanarak farklı bir bakış açısı kullandık. Bu yaklaşım bakteriler üzerindeki anti-CRISPRleri, kültür hazırlamaya ihtiyaç olmadan ya da bakteriyofajlar ile enfekte edilmeden bulmamızı sağladı ve sonuçlar gerçekten heyecan veriyor,” demiştir DTU’daki Postdoc Ruben Vazquez Uribe.

Anti-CRISPRlar İçeren Fekal Örnekler

Araştırmacılar iki çeşit toprak örneğindeki, bir ineğin ve bir domuzun fekal örneklerindeki ve dört insanın fekal örneklerindeki tüm DNA’yı kullanarak anti-CRISPR genlerini tanımlamışlardır. DNAlar küçük parçalara bölünmüş ve rastgele bir bakteri hücresinin plasmidine aktarılmıştır. Bu hücre, anti-CRISPR aktivitesinin seçilimi için genetik bir devre içerir. Kısaca, hücreler, belirli bir antibiyotiğe karşı direnç gösterebilecek potansiyelde anti-CRISPR genine sahip bir plasmid içereceklerdir. Buna karşılık, hücrelerdeki plasmid anti-CRISPR aktivitesi göstermiyor ise ölebilirler.

Bu mekanizma ile birlikte, araştırmacılar anti-CRISPR aktivitesiyle DNA’yı kolayca tespit edebilmiş ve onun kökenini ortaya çıkarabilmişlerdir. Oluşturulan bu metagenomik kütüphaneyi kullanarak, bilim adamları Cas9 aktivitesinin üstesinden gelebilecek on bir DNA fragmanını tespit edebilmişlerdir.

Gelecekteki karakterizasyon işlemleri dört yeni anti-CRISPR’in aktivitesini doğrulayabilir. Filogenetik analizler, fekal örneklerde tanımlanan genlerin, yiyecek, deniz suyu ya da bir böceğin sindirim sistemi gibi çeşitli çevrelerde yaşayan bakterilerde de var olduğunu ortaya çıkarmışlardır.

Bu, keşfedilen yeni genlerin yaşam ağacındaki birçok bakteriyel dal içerisinde yayıldığını ve kanıtlanmış bazı vakalarda bu genlerden birçoğunun, evrim sırasında sayısız kere yatay bir biçimde aktarıldığını gösteriyor.

DTU’da profesör ve aynı zamanda bilimsel idareci olan Morten Sommer “Gerçek şu ki, keşfettiğimiz anti-CRISPRların doğada fazlaca bulunması, onların çok kullanışlı ve biyolojik perspektifte büyük öneme sahip olduklarının göstergesidir,” demiştir.

Bu buluşlar gösteriyor ki anti-CRISPRlar, bakteriyofaj ve konakçısı arasındaki etkileşimde, keşfedilmeden önce büyük bir rol oynayabilmiştir.

Genom Düzenleme İçin Kullanışlı Bir Anahtar

Bu alandaki önceki çalışmalar, anti-CRISPR proteinlerin, laboratuvar ortamında genom düzenlemelerinde, DNA üzerindeki hedef dışı bölgelerin kesilebilmesi gibi örnekler ile hataları azaltmak için kullanılabileceğini kanıtlamıştır.

Morten Sommer “Bugün, araştırmalarında CRISPR-Cas9 kullanan birçok araştırmacı, mekanizmayı ve hedef dışı aktiviteleri kontrol etmede zorluklar yaşıyor. Bu nedenle, anti-CRISPR mekanizmaları çok önemlidir, çünkü, aktiviteyi test edebilmek için sistemin kontrolü elinizde olsun istersiniz. Keşfedilen yeni proteinler bu amaç için çok daha kullanışlı olabilecektir” demiştir.

Araştırmacıların keşfettiği bu dört yeni anti-CRISPR proteini farklı karakter ve özelliklere sahip gibi görünmektedir. Daha ileriyi araştırmak heyecanlı olacaktır.

Makaleyi görüntülemek için “Yedi Bakteriyel Şube Üzerinde Yaygın Cas9 İnhibitörlerinin Keşfi ve Karakterizasyonu” buraya tıklayın.

Kaynak: phys.org