CRISPR- प्रतिरोधी वायरस जीनोम को डीएनए-मर्मज्ञ एंजाइमों से बचाने के लिए आश्रयों का निर्माण करते हैं

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बैक्टीरिया और वायरस जो उन्हें संक्रमित करते हैं, वे अपनी बाहों की दौड़ में भाग लेते हैं: जीवन जितना ही प्राचीन। विकास ने बैक्टीरिया को प्रतिरक्षा एंजाइमों का एक पूरा शस्त्रागार दिया है, जिसमें सीआरआईएसपीआर-कैस सिस्टम शामिल हैं जो वायरल डीएनए को नष्ट कर सकते हैं। लेकिन बैक्टीरिया (फेज) को मारने वाले वायरस ने अपने स्वयं के उपकरण विकसित किए हैं जिनके साथ आप सबसे दुर्जेय बैक्टीरिया से बचाव भी कर सकते हैं।

कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय के वैज्ञानिकों ने एक अद्भुत नई रणनीति की खोज की है जो कुछ चरणों का उपयोग उन एंजाइमों से बचाने के लिए करती है जो उनके डीएनए में प्रवेश करते हैं। जीवाणुओं के संक्रमण के बाद, ये फेज एक अभेद्य आश्रय बनाते हैं, जो शरीर में एक तरह का "सेफ्टी रूम" होता है जो एंटीवायरल एंजाइमों से कमजोर फेज डीएनए की रक्षा करता है। यह केंद्र, कोशिका नाभिक के समान, वायरस में पाया जाने वाला सबसे प्रभावी CRISPR कवच कहला सकता है।

कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, सैन फ्रांसिस्को (यूसीएसएफ) के माइक्रोबायोलॉजी और इम्यूनोलॉजी विभाग की प्रयोगशाला में किए गए प्रयोगों में, इन चरणों में सीआरआईएसपीआर प्रणालियों में से कोई भी उपज नहीं थी। यूसीएसएफ के एसोसिएट प्रोफेसर जोसेफ बौंडी-डेनोमी ने कहा, "यह पहली बार था जब किसी ने फेज की खोज की है, जो सीआरआईएसपीआर के प्रतिरोध के ऐसे स्तर को प्रदर्शित करता है।" उन्होंने 9 दिसंबर, 2019 को जर्नल नेचर में प्रकाशित एक लेख में अपनी खोज का वर्णन किया।

एक डीएनए शिकार जो CRISPR में प्रवेश नहीं कर सकता है

जोसेफ बौंडी-डेनोमी ने एक शोध दल का नेतृत्व किया जिसने चरणों का "आश्रय" खोला

सीआरआईएसपीआर प्रतिरोधी चरणों को खोजने के लिए, शोधकर्ताओं ने फेज के पांच अलग-अलग परिवारों से वायरस का चयन किया और उन्हें सामान्य बैक्टीरिया को संक्रमित करने के लिए उपयोग किया जो कि चार अलग-अलग कैस एंजाइमों को तैनात करने के लिए आनुवंशिक रूप से इंजीनियर थे, सीआरआईएसपीआर सिस्टम के डीएनए-मर्मज्ञ घटक।


HsdR प्रतिबंध एंजाइम (लाल), एक प्रोटीन जो सामान्य रूप से फेज डीएनए (नीला) को काटता है, डीएनए में प्रवेश नहीं कर सकता है। फेज द्वारा एकत्रित नाभिक जैसी झिल्ली फेज के डीएनए को घेर लेती है, एक बाधा का निर्माण करती है जो फेज जीनोम को एचएसडीआर और अन्य एंजाइमों के लिए दुर्गम बनाता है जो डीएनए में प्रवेश करते हैं।

ये सीआरआईएसपीआर-वर्धित बैक्टीरिया अपने सामने आए अधिकांश चरणों के मुकाबले विजयी हुए। लेकिन दो विशाल चरणों (उन्होंने अपना नाम इसलिए लिया क्योंकि उनके जीनोम सबसे अच्छी तरह से अध्ययन किए गए चरणों के जीनोम से 5-10 गुना बड़े थे) सभी चार सीआरआईएसपीआर प्रणालियों के लिए अभेद्य बन गए।

वैज्ञानिकों ने सीआरआईएसपीआर के प्रतिरोध की सीमा का पता लगाने के लिए इन विशाल चरणों का अतिरिक्त परीक्षण करने का निर्णय लिया। उन्होंने उन्हें पूरी तरह से अलग प्रकार के सीआरआईएसपीआर से लैस बैक्टीरिया के साथ - साथ प्रतिबंध-संशोधन प्रणालियों से लैस बैक्टीरिया से अवगत कराया। यही है, एक डीएनए-क्लीजिंग एंजाइम जो सीआरआईएसपीआर से अधिक सामान्य है (प्रतिबंध प्रणाली लगभग 90 प्रतिशत बैक्टीरिया प्रजातियों में पाई जाती है, जबकि सीआरआईएसपीआर केवल 40% में मौजूद है)%, लेकिन केवल डीएनए अनुक्रमों की एक सीमित संख्या को लक्षित कर सकते हैं।

परिणाम पहले की तरह ही थे: पेट्री डिश फेज से संक्रमित बैक्टीरिया के नष्ट अवशेषों से अटे पड़े थे। ये चरण सभी छह जीवाणु प्रतिरक्षा प्रणालियों के परीक्षण के लिए प्रतिरोधी थे। कोई अन्य चरण इसके लिए सक्षम नहीं था।

विशालकाय चरण लगभग अविनाशी लग रहे थे। लेकिन इन विट्रो प्रयोगों में इसके विपरीत दिखाया गया - विशालकाय फेज डीएनए सिर्फ CRISPR के लिए असुरक्षित था और अन्य डीएनए के रूप में प्रतिबंध एंजाइम थे। CRISPR का प्रतिरोध, जो कि फेज से संक्रमित कोशिकाओं में देखा गया था, कुछ ऐसा होना चाहिए जो CRISPR के साथ हस्तक्षेप करने वाले वायरस का उत्पादन करता हो। लेकिन यह क्या हो सकता है?


फेज ModelKZ के साथ स्यूडोमोनास एरुगिनोसा संक्रमण का मॉडल। चित्रण: मेंडोज़ा एट अल।, 2019।

विरोधी CRISPR को दोष देने के लिए लग रहा था। 2013 में बॉन्डी-डेनोमी द्वारा पहली बार खोजे गए ये प्रोटीन, कुछ फेज जीनोम में सिक्योर सीआरआईएसपीआर निष्क्रिय थे। लेकिन जब शोधकर्ताओं ने विशाल फेज के जीनोम अनुक्रमों का विश्लेषण किया, तो उन्हें एंटी-सीआरआईएसपीआर का पता नहीं लगा। इसके अलावा, प्रत्येक ज्ञात एंटी-सीआरआईएसपीआर केवल कुछ सीआरआईएसपीआर सिस्टम को अक्षम कर सकता है, जबकि विशाल चरण सभी एंटीवायरल एंजाइमों के लिए प्रतिरोधी थे जो उनमें स्रावित होते थे। विशाल चरण के डीएनए को संरक्षित करने वाली हर चीज किसी अन्य तंत्र पर आधारित होनी चाहिए।

CRISPR से प्रभावशाली ढाल

वैज्ञानिक एक नुकसान और निर्मित मॉडल पर थे। कोई मेघ में , कोई कागज पर। बड़ी संख्या में प्रयोगों के बाद, मैं समझने में कामयाब रहा कि क्या हो रहा है। जब विशालकाय जीवाणु बैक्टीरिया को संक्रमित करते हैं, तो वे मेजबान सेल के बीच में एक गोलाकार कम्पार्टमेंट बनाते हैं, जो एंटीवायरल एंजाइम को रोकता है और वायरल जीनोम की प्रतिकृति के लिए एक "शरण" प्रदान करता है।

2017 में इसी तरह की खोज दो अन्य वैज्ञानिकों, जो पॉलानो और डेविड अगार्ड द्वारा की गई थी। इन शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि फेज जीनोम नाभिक जैसी झिल्ली में प्रतिकृति बनाता है। लेकिन अभी तक किसी को नहीं पता था कि यह शेल CRISPR के खिलाफ अभेद्य कवच का काम भी करता है।

दिलचस्प बात यह है कि जीवाणुओं में कम्पार्टमेंटलाइजेशन अत्यंत दुर्लभ है। वायरस में, यह सिद्धांत रूप में नहीं माना जाता है। और इससे भी अधिक यह है कि डिब्बे यूकेरियोटिक नाभिक के समान था। हालांकि, आप जाते हैं - यह है, छद्म कोर!


जीवाणु स्यूडोमोनस क्लोरोरापिस फेज 201 p2-1 से संक्रमित है: फोटो (ए) और पुनर्निर्माण (बी)। छद्म नाभिक नीला है, वायरल कणों का एकत्र कैप्सिड हरा है, राइबोसोम पीले होते हैं।

हालांकि, लिफाफे और इसे बनाने वाले वायरस के बारे में कई सवाल अनुत्तरित रहते हैं, जिसमें प्रोटीन के बारे में बुनियादी जानकारी शामिल है जिसमें से "सुरक्षा कक्ष" का लिफाफा बनाया गया है। जोसेफ बौंडी-डेनोमी के अनुसार, जब इन चरणों का अनुक्रमण किया गया, तो उनकी टीम ने काल्पनिक प्रोटीनों में से एक को खोजने में कामयाबी हासिल की। लेकिन कुछ निकट संबंधी फेज में ऐसे प्रोटीन का पता नहीं लगाया जा सका। इसके अलावा, यह अभी तक स्पष्ट नहीं है कि परमाणु स्तर पर प्रोटीन की संरचना कैसी दिखती है।

लेकिन बिल्डिंग लिफाफा प्रोटीन एकमात्र रहस्य नहीं है जिसे बॉन्डी-डेनोमी और उनके सहयोगियों को हल करना है। फेज से संक्रमित बैक्टीरिया का अवलोकन करते हुए, वे कुछ और दिलचस्प बात को नोटिस करने में कामयाब रहे: फेज के लिए "आश्रय" के निर्माण के दौरान (इसमें लगभग 30 मिनट लगते हैं), इसका जीनोम उस स्थान पर रहता है जहां इसे मेजबान सेल में पेश किया गया था। इस समय के दौरान, फेज जीनोम होस्ट सेल के आसपास तैरने वाले किसी भी एंटीवायरल एंजाइम की चपेट में आता है। लेकिन एक तरह से या किसी अन्य, जीनोम अपरिवर्तित रहता है जबकि इसका "कमरा" बनाया जा रहा है।

शायद कुछ प्रकार की अस्थायी झिल्ली प्रारंभिक चरण में वायरस के शुरू किए गए डीएनए की रक्षा करती है। एक सुरक्षात्मक आवरण की तरह जो बंदूक लड़ाई के लिए तैयार होने पर रीसेट हो जाता है। यह सिर्फ वैज्ञानिकों को अभी तक समझ में नहीं आया है कि किस तरह की सुरक्षा।



लेकिन वैज्ञानिकों ने यह पता लगाने में कामयाबी हासिल की कि खोल उतना अभेद्य नहीं है जितना कि पहले प्रयोग में दिखाया गया था। कुछ पेचीदा विकास का उपयोग करते हुए, अध्ययन के प्रमुख लेखक, सेनीन मेंडोज़ा, जो बॉन्डी-डेनोमी प्रयोगशाला में एक स्नातक छात्र थे, ने वायरल लिफाफा प्रोटीनों में से एक के लिए एक प्रतिबंध एंजाइम संलग्न करके एक न्यूक्लियर शील्ड के चारों ओर एक रास्ता पाया। ट्रोजन घोड़े की इस रणनीति ने एंजाइम को अपनी विधानसभा के दौरान आश्रय में प्रवेश करने और प्रतिरक्षा मुक्त क्षेत्र के अंदर फेज जीन को नष्ट करने की अनुमति दी, जिसके लिए बैक्टीरिया जीवित रहने में कामयाब रहा।

यह प्रयोग शोधकर्ताओं के लिए विशेष रूप से दिलचस्प है, क्योंकि यह दर्शाता है कि, वास्तव में, वायरस जीनोम के संरक्षण के "अभेद्य" कोकून को भेदने के तरीके हैं। और इस तथ्य को देखते हुए कि बैक्टीरिया और फेज हमेशा एक-दूसरे के बचाव में दरार डालने के लिए नए तरीके खोजते हैं, बॉन्डी-डेनोमी का मानना ​​है कि बहुत जल्द ही वैज्ञानिक पाएंगे कि सुरक्षा के इस तरीके को तोड़ने या बायपास करने के लिए आवश्यक उपकरण के साथ बैक्टीरिया पहले से ही सशस्त्र हैं। युद्ध जारी रहेगा।

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