Frontiers for Young Minds

BY admin
|

Abstract

Bakterier mod vira er en af de ældste kampe på Jorden. Visse vira har brug for at inficere bakterier for at kunne formere sig, men bakterierne ønsker ikke at blive inficeret. Hvordan sørger bakterier, der overlever en virusinfektion, for, at det ikke sker igen? Mange typer bakterier har udviklet en proces kaldet CRISPR, der hjælper dem med at huske de virus, de har set før. CRISPR gør det også muligt for bakterierne at forhindre virussen i at ødelægge dem. Selv om mennesker ikke har CRISPR i deres celler, har de fundet ud af nogle spændende måder at bruge CRISPR på i laboratoriet.

Bakterier vs. vira: Du har sikkert hørt om bakterier og vira, der forårsager sygdomme hos mennesker, og du kender måske til, hvordan mennesker bekæmper bakterier med antibiotika, og hvordan vi forebygger infektioner med både bakterier og vira ved hjælp af vacciner. Men bakterier og vira har også kæmpet mod hinanden i meget lang tid, og ved at studere den måde, de kæmper på, har vi lært en masse om, hvordan organismer ændrer sig over tid, og det har også ført til opdagelsen af et ekstremt spændende forskningsværktøj.

Denne kamp mellem bakterier og vira handler om evnen til at formere sig. Både bakterier og vira formerer sig ved at lave identiske kopier af sig selv, og instruktionerne til at gøre dette er gemt i deres DNA.

Krakning af DNA-koden

DNA er et langt molekyle, der er opbygget af en kombination af fire mindre molekyler: adenin, thymin, guanin og cytosin (forkortet A, T, G og C; figur 1). A, T, C og G-molekylerne kan sættes på række i mange forskellige rækkefølger for at danne en lang streng. Denne specifikke kombination af As, Ts, Gs og Cs er som en kode. En DNA-streng alene holder ikke særlig længe i en celle, så strengene parres sammen efter bestemte regler. As kan kun parre sig med Ts, og Cs kan kun parre sig med Gs, så de to strenge ender med at være en slags modsætninger af hinanden. De to strenge i et DNA-molekyle er komplementære. De to komplementære strenge snor sig rundt om hinanden og danner en struktur, der kaldes en dobbeltspiral.

Figur 1 - DNA-struktur og hvordan proteiner laves af DNA.
  • Figur 1 – DNA-struktur og hvordan proteiner laves af DNA.
  • (A) En DNA-streng indeholder en sekvens af molekyler (A, T, C og G) i en bestemt rækkefølge. To komplementære DNA-strenge danner par (A passer sammen med T og C passer sammen med G) og snor sig rundt om hinanden for at danne en form kaldet en dobbeltspiral. (B) For at lave et protein gennemgår et DNA-molekyle først en proces, der kaldes transkription, for at lave et RNA-molekyle. RNA-molekylet bruger derefter det cellulære maskineri til at skabe et protein, en proces, der kaldes translation.

Nogle dele af DNA, kaldet gener, indeholder instruktionerne til at bygge proteiner (figur 1). Proteiner er de vigtigste molekyler, der gør ting i en celle. Proteiner hjælper med at omdanne vores mad til energi, de flytter ting rundt i og mellem cellerne, og de hjælper cellerne med at kommunikere. Proteinprodukterne fra generne og de opgaver, de udfører, er den måde, hvorpå generne resulterer i fysiske egenskaber, som f.eks. øjenfarve eller glat eller krøllet hår.

En stor del af vores DNA er dog faktisk ikke gener. Mange af disse andre dele af DNA’et hjælper cellen med at vide, hvornår den skal lave et bestemt protein, og hvor meget af dette protein den skal lave.

Men hvad har DNA med det at gøre?

Så, nu hvor vi ved, at DNA koder for proteiner, kan vi tænke over, hvordan det kan gøre det muligt for en bakterie eller en virus at lave en kopi af sig selv. For at en bakterie kan reproducere sig, skal den lave nok proteiner og molekyler til en anden celle, kopiere sit DNA, så den nye celle får den information, den har brug for, og den skal også blive større og dele sig. En virus er til sammenligning meget enklere – blot noget DNA i en proteinkappe. Både bakterier og vira har instruktioner til at fremstille alle de proteiner, der skal hjælpe med alle opgaverne i forbindelse med reproduktion. Så hvad er der at skændes om?

Vi mangler en vigtig del af denne historie – hvordan bliver et protein lavet? Det sker ved hjælp af et molekyle, der hedder RNA. RNA minder meget om DNA, men det har kun én streng. Særlige proteiner kan lave (eller “transskribere”) RNA-versioner af gener, som kan “læses” af det cellulære maskineri, der “oversætter” RNA-koden og opbygger et protein (figur 1). Du kan tænke på forskellen mellem RNA og DNA på denne måde: DNA er som en brugsanvisning, en tegning eller en kogebog. Der foretages ingen ændringer i hovedkopien, men hvis nogen ønsker at lave noget med disse instruktioner, kopieres små dele og sendes til et sted, hvor produktet kan fremstilles af de rette materialer. Det er RNA’s opgave. Det er dette mellemliggende RNA-trin, der skaber problemer for vira og bakterier. Bakterier har instruktionerne og værktøjerne til at fremstille proteiner, men vira har kun instruktionerne – ingen værktøjer.

Den måde, hvorpå nogle vira kompenserer for dette, er ved at kapre bakterier og bruge deres værktøjer (figur 2). Denne type virus lander på og sætter sig fast på ydersiden af bakterien og injicerer sit DNA i bakterien. Hvis bakterien ikke opdager, at virus-DNA’et ikke er dens eget, vil den følge instruktionerne i virus-DNA’et og lave flere vira. Bakterien vil lave kopier af virus-DNA og masser af virusproteiner og vil lade de nye vira samle sig inde i bakterien. Til sidst sprænger de nye vira bakterien op og går ud for at inficere flere bakterier.

Figur 2 - Hvordan formerer en virus sig?
  • Figur 2 – Hvordan formerer en virus sig?
  • Trin 1: Virussen sætter sig fast på ydersiden af bakterien og injicerer sit DNA ind i bakterien. Trin 2: Bakterien producerer nyt viralt DNA og protein. Trin 3: Nye vira samles inde i bakterien. Trin 4: Nye vira bryder ud af bakterien for at gå videre og inficere andre bakterier.

De fleste bakterier, der bliver inficeret af en virus, de aldrig har set, vil dø. En sjælden gang imellem dør en bakterie dog ikke af virusinfektion. Det kan ske på grund af en mutation i denne bakteries DNA. Mutationer er ændringer i DNA-sekvensen i et gen, ligesom små fejl, og de sker hele tiden i bakterier, når de kopierer deres DNA til den næste generation. Nogle af disse fejl dræber bakterien, så den ikke får mulighed for at give mutationen videre til den næste generation. Andre mutationer kan imidlertid bare glide forbi ubemærket … indtil bakterien bliver invaderet af en virus! Pludselig viser det sig, at mutationen faktisk hjælper bakterien med at bekæmpe virussen. De få heldige bakterier, der har denne nyttige mutation, er dem, der overlever og formerer sig, og de giver disse nyttige mutationer videre til deres afkom. Disse afkom formerer sig igen, og til sidst er den nyttige mutation til stede i de fleste af bakterierne i populationen. Denne indførelse af en nyt nyttig version af et gen i en hel gruppe af bakterier er et eksempel på evolution.

CRISPR: Forsvaret af bakterier ved at huske virus

På dette tidspunkt undrer du dig måske over, hvordan resistens over for virus ser ud hos bakterier, og det er her, CRISPR kommer ind i billedet (figur 3). CRISPR står for Clustered Regularly InterSpaced Palindromic Repeats. Det lyder virkelig smart, men det er faktisk bare en beskrivelse af nogle særlige områder af bakterie-DNA’et. I disse regioner er der to slags DNA-sekvenser, der veksler: gentagelser og spacers. Repeats er den samme samling af bogstaver, der gentages igen og igen, men spacerne mellem dem er alle forskellige.

Figur 3 - Hvad er CRISPR, og hvordan virker det?
  • Figur 3 – Hvad er CRISPR, og hvordan virker det?
  • (A) CRISPR’s struktur. Korte dele af DNA, kaldet repeats og spacers, er arrangeret i et vekslende mønster. Gentagelserne (her de sorte diamanter) er alle ens, men spacerne (de farverige rektangler) er alle forskellige. Cas-generne findes også i nærheden af CRISPR-regionen. (B) I den første infektion kopieres en kort sekvens fra virus-DNA for at blive til en ny spacer. Den nye spacer inkorporeres i CRISPR. (C) I den anden infektion producerer bakterien et RNA fra CRISPR-regionen. RNA’et leder et cas-protein til virus-DNA’et, og cas-proteinet ødelægger virus-DNA’et.

Da forskerne først fandt disse særlige regioner af DNA, var de ikke sikre på, hvad deres formål var. Men snart indså de, at spacerne ofte var meget lig viral DNA. Hvor kom dette virale DNA fra? Kunne CRISPR muligvis hjælpe bakterier med at genkende og bekæmpe vira?

I 2007 besluttede Rodolphe Barrangou og hans laboratorium at undersøge denne idé (sjovt faktum: Barrangou arbejdede for et yoghurtfirma! For at lave yoghurt kræves der bakterier, og nogle gange bliver disse bakterier udryddet af virus. Det var i virksomhedens interesse at vide, hvordan bakterier beskytter sig mod virus ). Da Barrangou sammenlignede CRISPR-regionen i en ikke virusresistent bakterieart med CRISPR-regionen i en virusresistent udgave af samme art, fandt de ud af, at den eneste forskel mellem dem var, at den virusresistente udgave havde nogle ekstra spacere. De besluttede at lave et eksperiment for at finde ud af, hvor disse ekstra spacere kom fra.

Først udsatte de ikke-virusresistente bakterier for virus, indtil bakterierne blev virusresistente. Da de sammenlignede CRISPR-regionerne i de nyligt resistente og ikke-resistente bakterier, fandt de, at der normalt var en til fire nye spacere i de resistente bakterier, og at disse nye spacere lignede DNA’et fra de vira, som bakterierne var blevet udsat for. Det fik forskerne til at tro, at spacerne måske var lavet af virus-DNA.

Barrangou og hans laboratorium slettede og indsatte også flere spacere, der passede til forskellige vira. De fandt ud af, at når de slettede en spacer fra en virusresistent bakterie, mistede bakterien sin resistens over for den matchende virus, og når de tilføjede spacere, blev bakterien resistent over for den matchende virus, selv om den aldrig havde set den pågældende virus før. Barrangou og hans laboratorium konkluderede, at spacerne i CRISPR-regioner giver resistens over for virus ved at gemme noget af virus-DNA’et, hvilket gør det muligt for bakterien at “huske” dem.

Resistensen over for viruset (immunitet) opstår som reaktion på infektion. Normalt overføres immunitet ikke til afkommet, men med CRISPR kan det ske, fordi immuniteten faktisk er kodet i DNA’et, som overføres gennem generationerne .

Siden Barrangou lavede sine første CRISPR-forsøg, har vi fundet ud af en masse om, hvordan CRISPR virker for at forhindre virus i at ødelægge cellen. Bakterien klipper en smule af virus-DNA’et og tilføjer det til et CRISPR-område i sit eget DNA. Hvis virussen kommer tilbage, laver bakterien RNA fra den CRISPR-region, der er specifik for den pågældende virus. Disse RNA-kopier danner par med nogle cas-proteiner (CRISPR-associerede proteiner). RNA’et leder cas-proteinet hen til det invaderende virus-DNA, så proteinet kan ødelægge det. Ikke mere viralt DNA, ingen nye vira. Disse RNA-kopier danner par med nogle cas-proteiner (CRISPR-associerede proteiner), som er fremstillet af cas-generne.

Beyond Bacteria: CRISPR i laboratoriet

Da denne mekanisme blev opdaget, indså forskerne hurtigt, at CRISPR kunne have mange interessante og spændende anvendelser i laboratoriet . Folk fandt ud af, at de kunne give et cas-protein RNA-versionen af et vilkårligt stykke DNA, som de ville have det til at finde, og med RNA’s hjælp ville proteinet gå derhen og foretage ændringer i DNA’et. Cas-proteiner kan ændre et enkelt bogstav, hvilket ofte er nok til at få genet til ikke længere at fungere, eller cas-proteiner kan slette et helt gen eller en del af et gen.

Dette gør CRISPR til et fantastisk værktøj inden for genetik, som er studiet af arvelige træk. En af de måder, som genetikere finder ud af, hvordan gener fungerer, er ved at slette eller inaktivere dem og se, hvad der går galt i organismen. Det har man gjort i mange år, men CRISPR giver os mulighed for at gøre det hurtigere og mere præcist end nogensinde før.

Det er også muligt, at CRISPR kan bruges til at korrigere skadelige mutationer, der forårsager sygdomme hos mennesker, men det rejser nogle alvorlige etiske spørgsmål. Hvordan vil vi beslutte, hvornår vi skal bruge denne teknologi? Og er det i orden at foretage genetiske ændringer, der kan gå i arv til en person, som ikke har givet sit samtykke til ændringerne? Vi er stadig langt fra CRISPR i mennesker, men det er vigtigt at stille disse spørgsmål snarere før end senere.

Author Contributions

MC har skrevet manuskriptet og genereret alle figurer. JJ overvågede arbejdet og kommenterede manuskriptet på alle stadier. Begge forfattere gennemgik det endelige manuskript.

Glossar

DNA: Desoxyribonukleinsyre: Et langt molekyle, der består af en kombination af fire mindre molekyler (A, C, T og G), som koder for al information i cellen.

Dobbeltspiral: Den form, som DNA danner, når de to komplementære strenge af molekylet danner par og snor sig.

Gen: Et stykke DNA, der koder for et protein.

Protein: En klasse af store, strukturelt komplicerede molekyler, der er ansvarlige for en stor del af celleaktiviteten.

RNA: Ribonukleinsyre, et enkeltstrenget molekyle, der består af As, Gs, Cs og Us. RNA kan fungere som budbringer mellem DNA og det cellulære maskineri, der fremstiller proteiner, men det har også andre funktioner.

Mutation: En ændring af en organismes DNA-sekvens, f.eks. tilføjelse, ombytning eller sletning af et A, C, T eller G.

CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Palindromic Repeats): Navnet på en særlig region i nogle bakterielle genomer, der indeholder skiftevis spacer- og gentagelsessekvenser. Det er også navnet på en proces, hvormed bakterier forsvarer sig mod virusinfektioner, og på en laboratorieteknologi, der gør det muligt at redigere gener.

Cas-gener: CRISPR-associerede gener, der støder op til CRISPR-loci af spacere og gentagelser. cas9 er et cas-gen.

Interessekonflikterklæring

Forfatterne erklærer, at forskningen blev udført uden kommercielle eller finansielle relationer, der kunne opfattes som en potentiel interessekonflikt.

Salmond, G. P. C., og Fineran, P. C. 2015. Et århundrede med fagen: fortid, nutid og fremtid. Nat. Rev. Microbiol. 13:777-86. doi: 10.1038/nrmicro3564

Zimmer, C. 2015. Banebrydende DNA-editor født af bakterier. Quanta Magazine. Tilgængelig online på: https://www.quantamagazine.org/crispr-natural-history-in-bacteria-20150206/ (besøgt den 26. november 2017).

Barrangou, R., Fremaux, C., Deveau, H., Richards, M., Boyaval, P., Moineau, S., et al. 2007. CRISPR giver erhvervet resistens mod virus hos prokaryoter. Science 315:1709-12. doi: 10.1126/science.1138140

Barrangou, R., og Marraffini, L. A. 2014. CRISPR-Cas-systemer: prokaryoter opgraderer til adaptiv immunitet. Mol. Cell 54:234-44. doi: 10.1016/j.molcel.2014.03.011