CRISPR - Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats

CRISPR w wolnym tłumaczeniu oznacza „zgrupowane, regularnie przerywane, krótkie powtórzenia palindromiczne”. Po raz pierwszy takie charakterystyczne sekwencje zostały zidentyfikowane w genomie bakterii Eschericha Coli w 1987 roku. Przez kolejne kilkanaście lat badacze odkrywali trakty CRISPR w kolejnych genomach prokariotycznych. W połowie pierwszej dekady XX wieku powstała mocna hipoteza mówiąca, że jest to wyrafinowany system ochrony bakterii przed szkodliwym DNA lub RNA analogiczny do eukariotycznej interferencji RNA.

CRISPR można łatwo rozpoznać po krótkich (24-47 par zasad), palindromicznych sekwencjach powtórzeniowych (DR – direct repeat) rozdzielonych przerwami (ang. spacer) lub łącznikami o podobnej długości. Analizy bioinformatyczne dowiodły pochodzenia tych łączników z materiału genetycznego bakteriofagów lub plazmidów.

Sekwencja liderowa (ang. leader sequence) lub sygnałową (o długości 550 par zasad) znajduje się bezpośrednio przy końcu 5’ pierwszego palindromu. Doświadczalnie wykazano, że wbudowanie nowego odcinka DR-spacer następuje zawsze pomiędzy sekwencją liderową a pierwszym palindromem, co wskazuje na jej funkcję akceptorową w tym procesie, a także z racji położenia tej sekwencji: jako promotor transkrypcji całego ciągu sekwencji CRISPR.

Trzecim istotnym składnikiem systemu CRISPR jest grupa genów CAS (CRISPR Associated Sequence). Kodują one białka biorące istotny udział w całym procesie obronnym. Do roku 2007 udało się poznać ponad czterdzieści różnych genów CAS. Występują one (w różnych ilościach) zawsze w komórkach posiadających CRISPR natomiast nie zaobserwowano ich u organizmów nie posiadających tego systemu. 

Powyższy rysunek przedstawia kolejne etapy przykładowej infekcji bakteriofagiem oraz reakcji obronnej komórki bakteryjnej.  

• Białka CAS rozpoznają obcy materiał genetyczny (plazmid lub genom wirusa), następnie łączą się z nim i rozcinają na krótkie odcinki łącznikowe.
• Część z tych łączników jest wbudowywana w trakt CRISPR pomiędzy sekwencję liderową, a pierwszy odcinek palindromiczny.
• Następuje transkrypcja całego odcinka CRISPR zaczynając od sekwencji liderowej na ostatnim palindromie kończąc do pojedynczej nici RNA.
• Białko CAS II rozcina produkt transkrypcji na krótkie odcinki crRNA zawierające na wycinek łącznikowy otoczony z obu stron dokładnie połową odcinka powtórzeniowego.
• Krótkie odcinki crRNA tworzą z białkami CAS III kompleksy zdolne do oznaczania egzogennych elementów genetycznych posiadających komplementarną do nich sekwencję.
• Po zainfekowaniu przez kolejnego wirusa nasza bakteria ma już przygotowany mechanizm ochrony w postaci ww. kompleksów, które specyficznie łącząc się z wirusowym DNA (lub RNA) doprowadzają do jego unieszkodliwienia.

Warto zauważyć, że większość organizmów prokariotycznych zostanie uśmierconych przez wirusa zanim jeszcze nastąpi jakakolwiek reakcja z ich strony. Wystarczy jednak, że znajdzie się tylko jedna komórka, która odpowiednio szybko dokona całego procesu „uodparniania” aby wszyscy jej potomkowie mogli być spokojni wobec występującego zagrożenia.

W chwili obecnej (grudzień 2010 roku) nadal jest więcej pytań niż odpowiedzi dotyczących CRISPR. Jednak pomysły na praktyczne wykorzystanie przez człowieka tego procesu już od lat ewoluują w głowach osób zajmujących się tym zagadnieniem. CRISPR może służyć na przykład do oznaczania substancji szkodliwych, może stanowić jakby marker wskazujący na pochodzenie danej substancji. Natomiast przemysł spożywczy (gdyby prawo na to zezwoliło) mógłby wykorzystać uodpornione „żywe kultury bakterii” do produkcji jogurtów znacząco obniżając koszty związane z ich infekcjami przez bakteriofagi.