Frontiers for Young Minds

Baktériumok a vírusok ellen: The Biggest Tiniest War

Valószínűleg hallottál már az emberi betegségeket okozó baktériumokról és vírusokról, és talán tudsz arról is, hogy az emberek hogyan küzdenek a baktériumok ellen antibiotikumokkal, és hogyan előzzük meg a baktériumok és a vírusok okozta fertőzéseket vakcinákkal. De a baktériumok és a vírusok nagyon régóta harcolnak egymással is, és a harcuk módjának tanulmányozása sokat tanított nekünk arról, hogyan változnak az organizmusok az idők során, és egy rendkívül izgalmas kutatási eszköz felfedezéséhez is vezetett.

A baktériumok és a vírusok közötti harc a szaporodási képességről szól. Mind a baktériumok, mind a vírusok úgy szaporodnak, hogy azonos másolatokat készítenek magukról, és az ehhez szükséges utasításokat a DNS-ükben tárolják.

A DNS-kód feltörése

A DNS egy hosszú molekula, amely négy kisebb molekula: adenin, timin, guanin és citozin (röviden A, T, G és C; 1. ábra) kombinációjából épül fel. Az A, T, C és G molekulák többféle sorrendben is összefűzhetők, hogy egy hosszú szálat alkossanak. Az A, T, G és C meghatározott kombinációja olyan, mint egy kód. Egy DNS-szál önmagában nem tart sokáig a sejtben, ezért a szálak meghatározott szabályok szerint párosodnak. Az As csak Ts-vel, a Cs pedig csak G-vel párosulhat, így a két szál végül egymás ellentéte lesz. A DNS-molekula két szála komplementer. A két komplementer szál egymás köré csavarodva egy kettős spirálnak nevezett szerkezetet alkot.

A DNS egyes szakaszai, az úgynevezett gének, tartalmazzák a fehérjék felépítésének utasításait (1. ábra). A fehérjék a fő molekulák, amelyek a sejtben dolgokat végeznek. A fehérjék segítenek energiává alakítani a táplálékunkat, mozgatják a dolgokat a sejteken belül és a sejtek között, és segítik a sejtek kommunikációját. A gének fehérjetermékei és az általuk végzett feladatok révén a gének olyan fizikai tulajdonságokat eredményeznek, mint a szemszín vagy az egyenes vagy göndör haj.

A DNS-ünk nagy része azonban valójában nem génekből áll. Sok ilyen egyéb DNS-szakasz segít a sejtnek abban, hogy tudja, mikor kell egy bizonyos fehérjét előállítania, és hogy abból a fehérjéből mennyit kell előállítania.

De mi köze van a DNS-nek ehhez?

Most már tudjuk, hogy a DNS fehérjéket kódol, elgondolkodhatunk azon, hogy ez hogyan teszi lehetővé, hogy egy baktérium vagy vírus másolatot készítsen magáról. Ahhoz, hogy egy baktérium szaporodni tudjon, elegendő fehérjét és molekulát kell előállítania egy másik sejt számára, le kell másolnia a DNS-ét, hogy az új sejt rendelkezzen a szükséges információkkal, valamint nagyobbá kell válnia és osztódnia kell. Egy vírus ehhez képest sokkal egyszerűbb – csak némi DNS egy fehérjeburokban. Mind a baktériumok, mind a vírusok rendelkeznek utasításokkal az összes fehérje előállításához, amelyek a szaporodás összes feladatát segítik. Tehát min lehet itt veszekedni?

Egy fontos rész hiányzik a történetből – hogyan készül egy fehérje? Ez egy RNS nevű molekula segítségével történik. Az RNS nagyon hasonlít a DNS-hez, de csak egy szála van. Speciális fehérjék képesek a gének RNS-változatait létrehozni (vagy “átírni”), amelyeket a sejtek gépezete “olvashat”, amely “lefordítja” az RNS-kódot, és felépíti a fehérjét (1. ábra). Az RNS és a DNS közötti különbségre így gondolhatunk: A DNS olyan, mint egy használati utasítás, vagy egy tervrajz, vagy egy szakácskönyv. A mesterkópián nem változtatnak, de ha valaki valamit el akar készíteni ezekkel az utasításokkal, akkor kis részeket lemásolnak belőle, és elküldik oda, ahol a terméket a megfelelő anyagokból el lehet készíteni. Ez az RNA feladata. Ez a köztes RNS-lépés az, ami a vírusok és baktériumok számára problémákat okoz. A baktériumok rendelkeznek az utasításokkal és a fehérjék előállításához szükséges eszközökkel, de a vírusok csak az utasításokkal rendelkeznek – eszközök nélkül.

Az egyes vírusok ezt úgy pótolják, hogy eltérítik a baktériumokat és felhasználják az eszközeiket (2. ábra). Ez a fajta vírus leszáll a baktériumra, rátapad a baktérium külsejére, és befecskendezi a DNS-ét a baktériumba. Ha a baktérium nem veszi észre, hogy a vírus DNS-e nem a sajátja, akkor követi a vírus DNS-ében lévő utasításokat, és újabb vírusokat hoz létre. A baktérium másolatokat készít a vírus-DNS-ből és sok vírusfehérjét, és hagyja, hogy az új vírusok összeálljanak a baktérium belsejében. Végül az új vírusok feltörik a baktériumot, és elindulnak, hogy újabb baktériumokat fertőzzön meg.

A legtöbb baktérium, amelyet egy általuk soha nem látott vírus fertőz meg, elpusztul. Néha-néha azonban előfordul, hogy egy baktérium nem hal el a vírusfertőzéstől. Ez az adott baktérium DNS-ében bekövetkező mutáció miatt történhet. A mutációk a gén DNS-szekvenciájának változásai, mint apró hibák, és állandóan előfordulnak a baktériumokban, amikor a következő generáció számára lemásolják a DNS-üket. E hibák némelyike megöli a baktériumot, így az nem kap esélyt arra, hogy a mutációt továbbadja a következő generációnak. Más mutációk azonban észrevétlenül elsiklanak … egészen addig, amíg a baktériumot meg nem támadja egy vírus! Hirtelen kiderül, hogy a mutáció valójában segít a baktériumnak a vírus elleni küzdelemben. Az a néhány szerencsés baktérium, amelyik rendelkezik ezzel a hasznos mutációval, túléli a szaporodást, és továbbadja ezeket a hasznos mutációkat az utódainak. Ezek az utódok viszont szaporodnak, és végül a hasznos mutáció a populáció legtöbb baktériumában jelen van. Egy gén hasznos új változatának bevezetése egy egész baktériumcsoportba az evolúció egyik példája.

CRISPR: A baktériumok védelme a vírusokra való emlékezéssel

Ezzel a ponttal kapcsolatban felmerülhet a kérdés, hogyan néz ki a vírusokkal szembeni ellenállás a baktériumokban, és itt jön a képbe a CRISPR (3. ábra). A CRISPR a Clustered Regularly InterSpaced Palindromic Repeats rövidítése. Ez nagyon furcsán hangzik, de valójában csak a baktérium DNS néhány speciális régiójának leírása. Ezekben a régiókban kétféle DNS-szekvencia váltakozik: ismétlődések és távtartók. Az ismétlődések ugyanaz az újra és újra ismétlődő betűhalmaz, de a köztük lévő távtartók mind különbözőek.

Amikor a tudósok először találták meg ezeket a különleges DNS-régiókat, nem voltak biztosak abban, hogy mi a céljuk. Hamarosan azonban rájöttek, hogy a távtartók gyakran nagyon hasonlítanak a vírusos DNS-hez. Honnan származik ez a vírusos DNS? Lehetséges, hogy a CRISPR segíthet a baktériumoknak felismerni a vírusokat és harcolni ellenük?

2007-ben Rodolphe Barrangou és laboratóriuma elhatározta, hogy megvizsgálja ezt az ötletet (Vicces tény: Barrangou egy joghurtgyártó cégnél dolgozott! A joghurt készítéséhez baktériumokra van szükség, és néha ezeket a baktériumokat vírusok irtják ki. A cég érdeke volt, hogy megtudja, hogyan védekeznek a baktériumok a vírusok ellen ). Amikor Barrangou összehasonlította egy nem vírusrezisztens baktériumfajta CRISPR-régióját ugyanannak a fajnak egy vírusrezisztens változatával, kiderült, hogy az egyetlen különbség közöttük az volt, hogy a vírusrezisztens változatnak volt néhány extra távtartója. Úgy döntöttek, hogy kísérletet végeznek, hogy kiderítsék, honnan származnak ezek az extra távtartók.

Először a nem vírusrezisztens baktériumokat vírusoknak tették ki, amíg a baktériumok vírusrezisztensek nem lettek. Amikor összehasonlították az újonnan rezisztens és nem rezisztens baktériumok CRISPR régióit, azt találták, hogy a rezisztens baktériumokban általában egy-négy új spacer volt, és ezek az új spacerek hasonlóak voltak azoknak a vírusoknak a DNS-éhez, amelyeknek a baktériumokat kitették. Ez arra késztette a kutatókat, hogy a spacerek a vírus DNS-éből készülhettek.

Barrangou és laboratóriuma több olyan spacert is törölt és illesztett be, amelyek különböző vírusoknak feleltek meg. Azt találták, hogy amikor töröltek egy spacert egy vírusrezisztens baktériumból, a baktérium elvesztette rezisztenciáját a megfelelő vírussal szemben, amikor pedig spacert adtak hozzá, a baktérium rezisztens lett a megfelelő vírussal szemben, még akkor is, ha korábban soha nem találkozott az adott vírussal. Barrangou és laboratóriuma arra a következtetésre jutott, hogy a CRISPR régiókban lévő spacerek a vírusokkal szembeni ellenállást azáltal biztosítják, hogy a vírus DNS-ének egy részét megmentik, ami lehetővé teszi a baktérium számára, hogy “emlékezzen” rájuk.

A vírussal szembeni ellenállás (immunitás) a fertőzésre adott válaszként alakul ki. Normális esetben az immunitás nem öröklődik az utódokra, de a CRISPR segítségével igen, mert az immunitás valójában a DNS-ben van kódolva, amely generációkon keresztül öröklődik .

Mióta Barrangou elvégezte az első CRISPR-kísérleteit, sokat megtudtunk arról, hogyan működik a CRISPR, hogy megakadályozza a vírusok pusztulását a sejtben. A baktérium levág egy darabot a vírus DNS-éből, és azt a saját DNS-ének egy CRISPR-régiójába illeszti. Ha a vírus visszatér, a baktérium a CRISPR-nek az adott vírusra specifikus régiójából RNS-t készít. Ezek az RNS-kópiák párosulnak néhány cas (CRISPR-asszociált) fehérjével. Az RNS a cas fehérjét a betolakodó vírus DNS-éhez vezeti, így a fehérje elpusztíthatja azt. Nincs több vírus-DNS, nincsenek új vírusok. Ezek az RNS-kópiák egyes cas (CRISPR-asszociált) fehérjékkel párosulnak, amelyek cas génekből készülnek.

Beyond Bacteria: A CRISPR a laboratóriumban

Amikor ezt a mechanizmust felfedezték, a tudósok gyorsan rájöttek, hogy a CRISPR-nek számos érdekes és izgalmas felhasználási lehetősége lehet a laboratóriumban. Az emberek rájöttek, hogy egy cas fehérjének odaadhatják a DNS bármelyik darabjának RNS-változatát, amit meg akarnak találni, és az RNS segítségével a fehérje odamegy, és változtatásokat végez a DNS-en. A cas fehérjék képesek megváltoztatni egy betűt, ami gyakran elég ahhoz, hogy a gén ne működjön többé, vagy a cas fehérjék képesek törölni egy egész gént vagy egy génszakaszt.

Ez teszi a CRISPR-t a genetika, vagyis az öröklött tulajdonságok tanulmányozásának nagyszerű eszközévé. A genetikusok többek között úgy találják ki a gének működését, hogy törlik vagy inaktiválják őket, és megnézik, mi romlik el a szervezetben. Ezt már sok éve végzik, de a CRISPR lehetővé teszi, hogy ezt gyorsabban és pontosabban tegyük, mint valaha.

Ez is lehetséges, hogy a CRISPR-t az emberekben betegséget okozó káros mutációk kijavítására használják, de ez komoly etikai kérdéseket vet fel. Hogyan fogjuk eldönteni, hogy mikor használjuk ezt a technológiát? És vajon rendben van-e, ha olyan genetikai változtatásokat hajtunk végre, amelyeket egy olyan személy is örökölhet, aki nem járult hozzá a változtatásokhoz? Még messze vagyunk attól, hogy a CRISPR-t embereken alkalmazzuk, de fontos, hogy ezeket a kérdéseket inkább előbb, mint később tegyük fel.

Author Contributions

MC írta a kéziratot és készítette az összes ábrát. JJ felügyelte a munkát, és a kéziratot minden szakaszban véleményezte. Mindkét szerző átnézte a végleges kéziratot.

Glosszárium

DNS: Deoxiribonukleinsav, négy kisebb molekula (A, C, T és G) kombinációjából álló hosszú molekula, amely a sejtben lévő összes információt kódolja.

Dupla hélix: A DNS alakja, amikor a molekula két komplementer szála összeáll és összecsavarodik.

Gén: A DNS egy fehérjét kódoló szakasza.

Fehérje: A nagyméretű, szerkezetileg bonyolult molekulák egy osztálya, amely számos sejtaktivitásért felelős.

RNS: Ribonukleinsav, egy egyszálú molekula, amely As-ból, Gs-ből, Cs-ből és Us-ból áll. Az RNS hírvivőként szolgálhat a DNS és a fehérjéket előállító sejtgépezet között, de más funkciói is vannak.

Mutáció: Egy szervezet DNS-szekvenciájának megváltozása, például egy A, C, T vagy G hozzáadása, cseréje vagy törlése.

CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Palindromic Repeats): Egyes bakteriális genomok egy speciális régiójának elnevezése, amely váltakozó spacer- és ismétlődő szekvenciákat tartalmaz. Ez a neve annak a folyamatnak is, amellyel a baktériumok védekeznek a vírusfertőzések ellen, valamint egy olyan laboratóriumi technológiának, amely lehetővé teszi a gének szerkesztését.

Cas gének: A CRISPR-hez kapcsolódó gének, amelyek a spacerek és ismétlődések CRISPR-locijai mellett helyezkednek el. cas9 egy cas gén.

Conflict of Interest Statement

A szerzők kijelentik, hogy a kutatást olyan kereskedelmi vagy pénzügyi kapcsolatok hiányában végezték, amelyek potenciális összeférhetetlenségként értelmezhetők.

Salmond, G. P. C., and Fineran, P. C. 2015. A fágok évszázada: múlt, jelen és jövő. Nat. Rev. Microbiol. 13:777-86. doi: 10.1038/nrmicro3564

Zimmer, C. 2015. Baktériumokból született áttörést jelentő DNS-szerkesztő. Quanta Magazine. Elérhető online a következő címen: https://www.quantamagazine.org/crispr-natural-history-in-bacteria-20150206/ (hozzáférés: 2017. november 26.).

Barrangou, R., Fremaux, C., Deveau, H., Richards, M., Boyaval, P., Moineau, S., et al. 2007. A CRISPR szerzett rezisztenciát biztosít prokariótákban a vírusokkal szemben. Science 315:1709-12. doi: 10.1126/science.1138140

Barrangou, R., and Marraffini, L. A. 2014. CRISPR-Cas rendszerek: prokarióták frissítése az adaptív immunitáshoz. Mol. Cell 54:234-44. doi: 10.1016/j.molcel.2014.03.011