Ist die Funktion von miRNAs / siRNAs in Eukaryoten mit den Mechanismen des prokaryotischen CRISPR / Cas9-Komplexes vergleichbar?

Kurze Antwort:

Funktional, ja. Die beiden Systeme sind auf breiter Ebene auffallend ähnlich.

Evolutionär, vielleicht nicht. Die beiden Systeme sind nicht homolog, und tatsächlich können sie Paradebeispiele für konvergente Evolution sein.

Lange Antwort:

Eukaryoten verwenden microRNAs (miRNAs) und kurze interferierende RNAs (siRNAs) als molekulare “Wegweiser” zur a) Abwehr von Viren und b) Genregulation (RNA-Interferenz). Der gesamte Prozess wird durch ein Enzym namens Dicer initiiert, das eine Vorläuferform der mi / siRNA schneidet, um den RNA-induzierten Silencing-Komplex (RISC-Komplex) zu bilden. Der RISC-Komplex ist dafür verantwortlich, dass Ziel-mRNAs die Proteinexpression in einem statistischen Maßstab hemmen.

Prokaryoten verwenden das CRISPR / Cas9-System, um sich gegen Viren zu verteidigen (soweit wir wissen). Ein bakterielles CRISPR-Gen besteht aus mehreren sich wiederholenden Fragmenten, zwischen denen Sequenzen liegen, die zu Bakteriophagen homolog sind. Diese Sequenzen sind in CRISPR-RNAs kodiert, die die Cas-Endonuklease zu der Ziel-DNA führen.

Die beiden Mechanismen sind aus offensichtlichen funktionellen Gründen ähnlich –

  1. Beide Systeme greifen DNA sequenzspezifisch und sequenzspezifisch an.
  2. Beide Systeme verwenden RNAs, um einen Proteinkomplex zu steuern.
  3. Diese RNAs sind beide von längeren Vorläufer-RNAs abgeleitet.
  4. Zielsequenzen werden dynamisch angepasst und im Genom gespeichert, um Heritabilität zu ermöglichen.

Aber es gibt auffällige Unterschiede in der Homologie –

  1. Die verwendeten Proteine ​​sind absolut verschieden. Eukaryoten beginnen mit dem Dicer, wie oben erklärt, und verwenden schließlich ein komplexes Protein-RNA-System, das RISC genannt wird, um Gene stillzulegen. Prokaryoten verwenden eine einfache Endonuklease. Cas und RISC / Dicer teilen keine genetischen Ähnlichkeiten.
  2. mi / siRNAs stammen von doppelsträngigen RNA-Vorläufern, während die CRISPR-RNA von einer einzelsträngigen RNA stammt.
  3. RNAi zielt auf andere RNAs ab, auf die das CRISPR / Cas-System DNA abzielt. (Beachten Sie, dass es einige Studien gegeben hat, die in vitro-Targeting von RNA unter Verwendung des CRISPR-Systems zeigten).
  4. Das RNAi-System spielt eine wichtige Rolle bei der Genregulation. Das CRISPR / Cas-System hat jedoch keine andere identifizierte Rolle als die bakterielle Abwehr.
  5. Schließlich müssen die Zielsequenzen in der CRISPR-RNA zuerst durch das bakterielle Genom codiert werden. Auf der anderen Seite kann die Vorläufer-RNA in RNAi direkt von eindringenden Nukleinsäuren abgeleitet werden.

Wie ähnlich sind die Prozesse auf einer evolutionären Skala? Hat ein Mechanismus zum anderen geführt? Haben die beiden Mechanismen einen gemeinsamen Vorfahren?

Wir wissen es nicht. Aber es scheint unwahrscheinlich. Vielleicht können Lehrbücher jetzt dem konvergenten Evolutionskapitel ein weiteres Beispiel hinzufügen.

Primäre Quelle: Marraffinini, LA, & Sontheimer, EJ (2010). CRISPR-Interferenz: RNA-gesteuerte adaptive Immunität in Bakterien und Archaea. Nature Reviews Genetics , 11 (3), 181-190.

(Artikel: RNA-gesteuerte genetische Silencing-Systeme in Bakterien und Archaea von Blake Wiedenheft, Samuel H. Sternberg & Jennifer A. Doudna)

(Bildquelle:

Tatsächlich ist die Funktion von miRNAs / siRNAs in Eukaryoten mit CRISPR-Cas9 vergleichbar. In der Tat ist das der beste Weg, diese beiden Prozesse zu studieren. Es gibt jedoch einige Unterschiede, auf die ich hinweisen möchte, und das sind möglicherweise auch die Gründe, warum die Forscher von den Anwendungen von CRISPR überrascht sind:

  1. Wirkungsdauer: RNAi, die typischerweise im Zytoplasma auftritt, bewirkt eine transiente Wirkung (siRNA) auf Langzeitwirkung (shRNA); CRISPR-Cas9, das im Kern vorkommt, verursacht jedoch eine permanente und erbliche Veränderung im Genom. Das immunologische Gedächtnis von CRISPR ist einer der großen Anziehungspunkte, die verwendet werden können, um eine Anzahl verschiedener Gene gleichzeitig einzuführen / zu entfernen . Die meisten Störungen werden nicht dadurch verursacht, dass nur ein Gen falsch läuft. CRIPSRs Fähigkeit, viele verschiedene Gene in einer Zelllinie, Pflanze oder Tier zu manipulieren, macht es anders als RNAi und macht Wissenschaftler verrückt [1]. Die GCLab George Church in Harvard nutzt das Genom von Stammzellen, bevor es sie in Nervenzellen verwandelt, um die Mechanismen einer Reihe von neurologischen Erkrankungen zu erkennen. Andere wie Feng Zhang vom Broad Institute verwenden es, um das Angelman-Syndrom zu modellieren, eine weitere neurologische Störung.
  2. Effizienz: CRISPR-vermittelter Knockout von miRNAs hat das Potenzial, effizienter zu sein als Antagomir / miRNA. Das Targeting von Promotoren kann auch unter Verwendung eines katalytisch inaktiven Cas9 in Kombination mit sgRNA erreicht werden, um die Transkriptionsmaschinerie genau zu stören. Es wurde weiterentwickelt, um die Genexpression auf Transkriptionsebene und nicht nur auf genomischer DNA-Ebene zu modulieren [2].

RNAi ist sowohl zeit- als auch kosteneffektiv, während CRISPR nicht nur von der Transfektion abhängt, sondern auch von der Selektion, der Verifizierung der induzierten Variation und der klonalen Expansion von veränderten Zellen oder Organismen. Aber ein Großteil des wissenschaftlichen Erstaunens beruht auf (a) der Überzeugung, dass CRISPR das Potenzial hat, präzise genomische Veränderungen nicht nur durch den nicht-homologen Reparaturweg, sondern auch durch ein homologes Schädigungssystem und (b) seine einzigartige Eigenschaft zu erzeugen gezielte Insertion von Mutationen in endogene Genkopien.

Verweise:

  1. RNA-gesteuerte genetische Silencing-Systeme in Bakterien und Archaea von Blake Wiedenheft, Samuel H. Sternberg und Jennifer A. Doudna.
  2. http://www.nature.com/nprot/jour … Larson, MH, Gilbert, LA, Wang, X., Lim, WA, Weissman, JS und Qi, LS (2013) CRISPR-Interferenz (CRISPRi) für Sequenz-spec c Kontrolle der Genexpression. Nat. Protoc., 8, 2180-2196.
  3. Parallelen zwischen CRISPR-Cas9 und RNAi: IGTRCN