Het bacteriële immuunsysteem van CRISPR-Cas

Bij het woord CRISPR-Cas denken veel mensen aan het sleutelen aan je DNA, maar wist je dat CRISPR-Cas ook een bacterieel immuunsysteem heeft?

15 augustus 2018

CRISPR-Cas wordt vaak geassocieerd met DNA-veranderingen, genoombewerking (sleutelen aan je DNA) en GGO’s (Genetisch Gemodificeerde Organisme). Maar ik zie CRISPR-Cas meer als een munt, die twee kanten heeft: een DNA-bewerkingsinstrument en een bacterieel immuunsysteem, dus een kop en munt.

Kop of munt van CRISPR-Cas
Wen Wu voor NEMO Kennislink

Net als bij het gooien van een munt, heeft iedereen een favoriete kant van de munt. Ik kies altijd voor munt, iets met een kop op een munt maakt me ongemakkelijk. Welke kant kies jij vaak? Omdat munt mijn favoriet is, ga ik dit eerste deel van de CRISPR 101-serie met CRISPR-Cas aan de munt kant beginnen, het bacteriële immuunsysteem.

Het bacteriële immuunsysteem

Bacteriën kunnen net als mensen geïnfecteerd worden door virussen. Om zichzelf te verdedigen, hebben bacteriën verschillende antivirusverdedigingssystemen ontwikkeld. CRISPR-Cas is één van deze verdedigingssystemen en het leuke aan CRISPR-Cas is de geheugenfunctie. Wie had ooit kunnen bedenken dat een kleine bacterie, die je niet eens met het blote oog ziet, een geheugen heeft, WOW.

Deze geheugenfunctie van CRISPR-Cas is net een database, die kleine stukjes informatie bevat van alle virussen die de bacterie ooit is tegengekomen. Deze geheugenfunctie heet CRISPR. Naast deze CRISPR-database vind je altijd een bepaalde reeks genen in de buurt, die geassocieerd worden met de CRISPR-database. Deze genen heten cas-genen (CRISPR-geassocieerde genen). De CRISPR database werkt samen met de cas-genen en vormen samen het CRISRP-Cas-systeem.
 
Een gen bevat informatie om een product te maken, maar is niet het uiteindelijke product zelf. Dus een gen codeert voor een eiwit zoals een recept een cake maakt. Je kunt niet veel met het recept doen, maar als je er een cake van maakt, kun je het eten, hmmmmmmmm cake.

Een infectie met een nieuw virus

Stel je voor dat je in een bacteriecel zit, of in dit geval, een cakefabriek. In het midden van de fabriek zie je rekken vol met receptenboeken, waar de machine cakes van maakt. Jouw taak: cake proeven!. Je proeft chocoladetaart, kwarktaart of citroen merengue taart, alles wat je hartje begeert! Dan plotseling, is er een virusinfectie bij de cakefabriek/bacteriële cel en injecteert het virus zijn virus-DNA in de cakefabriek.

Een virus-DNA kan je ook zien als een lange zin die woorden bevat. Deze lange zin zorgt niet voor recepten voor cakes, maar voor walgelijke gefermenteerde haringen. De viruszin neemt de machines in de fabriek over en voor je het weet, is je cake verdwenen en heb je een haring voor je liggen. Niet chill toch? Nee, totaal niet chill.

Terwijl onze cakefabriek wordt overgenomen kunnen de Cas-eiwitten, ons beveiligingsteam, enkele korte woorden uit de viruszin nemen en deze in de CRISPR-database opslaan. De bacterie onthoudt het virus met deze woorden en een Cas-eiwit gebruikt deze korte woorden uit de database om op zoek te gaan naar de zin die bij deze woorden past, het virus. Zodra het Cas-eiwit de viruszin heeft gevonden, knipt het Cas-eiwit de zin stuk. Slechts één knip en het virus is er niet meer. Plotseling stopt alle chaos in de cakefabriek, de cakestroom komt weer op gang, life is good. Geen smerige haring meer! Je gaat terug naar je cake proeven, maar deze keer met een nieuw stukje virusgeheugen in je database, en sta je klaar voor de volgende virusinfectie.

Dit is een korte uitleg over de muntkant van CRISPR-Cas. Ik vind het echt een heel mooi en elegant systeem. Volgende keer als iemand het over CRISPR-Cas heeft, kun je misschien vragen of ze het over kop of munt hebben?

Volgende keer gooi ik de munt weer op en zien we waar hij terechtkomt.
Tot de binnenkort!

Wen – The CRISPR-Cas Fan

CRISPR 101, part 1

CRISPR-Cas is often a term that is associated with DNA modifications, genome editing and GMOs (Genetically Modified Organisms). However, from the perspective of a PhD student that studies the fundamentals of CRISPR-Cas, I see CRISPR-Cas more like a coin, it has two sides: a DNA editing tool and a bacterial immune system, so a heads and a tails. Like in coin tossing, everyone has a preferred side that they always choose (if not already chosen by your opponent). I always choose tails, something about a head on a coin freaks me out. Which coin side do you prefer? Since, tails is my favorite, I would like to start this first part of CRISPR 101 series with tail side, CRISPR-Cas the bacterial immune system.

Bacteria, just like us humans, can also get infected by viruses. To defend themselves against viruses, bacteria have evolved different anti-virus defense systems. CRISPR-Cas is one of these defense systems and the cool thing about CRISPR-Cas is it’s memory function. Who would think that a small bacterium, that cannot be seen by the naked eye, has a thing called memory, WAW. This memory function of the CRISPR-Cas is like a database that contains small pieces of information from all the viruses the bacterium has ever encountered and this memory function is called, CRISPR. Next to this CRISPR database, you will always find a certain set of genes nearby, which are associated with the CRISPR database. These genes were termed as cas genes (CRISPR associated). CRISPR together with the cas genes form the CRISRP-Cas system.

*note: a gene contains information to make a product, but is not the final product itself. A gene codes for a protein like a recipe creates a cake. You cannot do anything much with the recipe, but if you make a cake out of it, you can eat it, hmmmmmmmm cake.

An unknown virus infects

Imagine you are in a bacterial cell or in this case, a cake factory. In the middle of the factory you see shelves of recipe books, of which the factory machines use to make cakes. Your job – cake tester, you are there to taste chocolate cake, cheese cake or lemon merengue tart, anything your heart desires! Then suddenly, a virus infect the factory/bacterial cell and injects its long virus DNA into the cake factory. A virus DNA you can also see as a long sentence with words. This long sentence holds not recipes for cakes, but for disgusting fermented herring. The sentence hijacks your machines and before you know it, your cake is gone and you have in front of you, a herring. Not cool right? Yes, not cool indeed.

During this hijacking time, Cas proteins, our security team, can take a few shorts words from this virus sentence and store it in the CRISPR database. The bacterium is remembering the virus, with these words. Then a Cas protein can use these short words from the database and searches for the sentence that matches these words, meaning the virus. Once the Cas protein has found the virus sentence, it will then cut the virus sentence. Just one cut and the virus is no more. All of a sudden, the chaos in the cake factory instantaneously stops and there seems to be peace once again. You go back to your cake tasting, but this time with a new piece of virus memory in your database, ready for another virus to strike again.

This is a short explanation on the tail side of CRISPR-Cas. I really think it is a very elegant system. Next time, when you hear someone talking about CRISPR-Cas, maybe you can ask them, heads or tails?
In my next blog post of this series, we will flip the coin again and see where it lands.
Until next time!

Wen – the CRISPR-Cas Fan