Em biologia molecular, CRISPR/Cas é uma ferramenta de edição de genoma que consiste em dois componentes: uma transcrição do locus CRISPR que resulta em curtos fragmentos de RNA com capacidade de desempenhar o reconhecimento de um DNA exógeno específico e atua como um guia a um local particular no genoma, e uma proteína chamada Cas9 que corta o DNA nesse local.
Para efeitos de edição de gene, os cientistas podem controlar onde a proteína parte o genoma, inserir um novo gene no corte e juntá-lo novamente. A "faca" é uma proteína chamada Cas9 (A estrutura de cristal de S. pyogenes que, em 2012, os pesquisadores mostraram que poderiam usá-la como um bisturi para realizar microcirurgia em genes).CRISPRS AND CANCER por Terrence P McGarty em "White Paper No 111" de abril/2014Cong, L., et al, Multiplex Genome Engineering Using CRISPR/Cas Systems, Science, Vol. 339 15 February 2013 Cientistas podem usar CRISPR/Cas9 não somente para agir como um par de tesouras moleculares para precisamente cortar ou editar seções específicas de DNA, mas, recentemente, começaram a manipular CRISPR/Cas9 variantes como instrumentos de regulação gênica, a fim de reversivelmente controlar genes ativados ou desativadosNew CRISPR-Cas9 Strategy Edits Genes Two Ways publicado pelo "Wyss Institute" em 9 de setembro de 2015. Em 2017, cientistas descobriram novos tipos de sistemas CRISPR/Cas de imunidade bacteriana adaptativa. Os genes desses sistemas são bastante incomuns, e os sistemas CRISPR/Cas são diferentes dos estudados anteriormente. Os cientistas acreditam que todos os principais tipos de sistemas CRISPR/Cas foram classificados.Diversity and evolution of class 2 CRISPR–Cas systems por Sergey Shmakov, et al, Nature Reviews Microbiology 15, 169–182 (2017) - doi:10.1038/nrmicro.2016.184 Essa técnica permite que os pesquisadores pesquisem e substituam seções inteiras de filamentos de DNA, tudo sem quebras ou danos ao DNA doador. Com esse método, os pesquisadores esperam corrigir com precisão e eficiência até 89% das doenças genéticas causadoras de doenças conhecidas.
A metodologia CRISPR/Cas ofuscou rapidamente TALEN, ZFN, Gene Cutter BRCA1 e outras ferramentas de edição.CRISPR, the disruptor - A powerful gene-editing technology is the biggest game changer to hit biology since PCR. But with its huge potential come pressing concerns. por Heidi Ledford em 3 de Junho de 2015 (Nature Publishing Group) Esta técnica de "edição" do genoma humano, em 2015, foi usada pela primeira vez para "cortar e colar" os genes de um tipo de células imunitárias chave envolvidas na proteção do organismo contra uma ampla gama de doenças, que vai de vírus como gripe ou ebola, diabetes, ectrodactilia, HIV a cancer.SILICON VALLEY’S TECH ELITE ZOOM IN ON CRISPR (2018)
Motivo protospacer adjacente Para que o sistema CRISPR/Cas9 funcione, uma proteína de defesa bacteriana com Cas9 procura um motivo protospacer adjacente (PAM) - que está presente no DNA viral, mas não no DNA bacteriano. O CRISPR/Cas9 foi aproveitado para editar o genoma humano, porque essas seqüências de PAM também são bastante comuns em nosso DNA; no entanto, genes que não estão próximos de um PAM não podem ser direcionados. Os bioquímicos projetaram variações de uma proteína Cas9 que não requer um PAM específico para ligar e cortar o DNA. As duas novas variações de Cas9, denominadas SpG e SpRY, permitem a edição de seqüências de DNA com eficiência não alcançável com as enzimas CRISPR/Cas9 convencionais.
Classificação O sistema imunológico adaptativo CRISPR/Cas de procariontes se dividiu em duas classes distintas baseadas na organização do módulo efetor.
Os sistemas CRISPR/Cas de Classe 1 utilizam complexos efetores de múltiplas proteínas. Os sistemas CRISPR/Cas Classe 2 utilizam efetores de proteína única.
Devido à complexidade da composição genética e arquitetura genômica dos sistemas CRISPR/Cas, qualquer critério de classificação único e abrangente é considerado impraticável, e assim uma abordagem "politetânica" baseada em evidências combinadas de análise filogenética, genômica comparativa e estrutural foi desenvolvido.
Com base nas duas classes distintas, o sistema CRISPR/Cas é dividido em seis tipos principais (tipo I - tipo VI). Dentro de cada tipo de sistema CRISPR/Cas, vários subtipos foram delineados com base em genes de assinatura adicionais e arranjos genéticos característicos.
Classe 1 Os sistemas CRISPR/Cas de Classe 1 são definidos pela presença de um complexo efetor de crRNA polissubstituído e são divididos em 3 tipos e 15 subtipos. Os sistemas de Classe 1 representam cerca de 90% dos locos CRISPR/Cas e são encontrados em diversos filos bacterianos e arqueas. Inclui o mais comum e diversificado tipo I, tipo III, que é representado em numerosas archaea, mas é menos freqüente em bactérias, assim como o tipo IV raro, que inclui locos CRISPR/Cas rudimentares, sem o módulo de adaptação.
Além dos genes efetores, a maioria dos loci de classe 1 codifica as proteínas do módulo de adaptação Cas1 e Cas2, e múltiplas proteínas acessórias, como Cas4, transcriptase reversa, proteína contendo o domínio CARF (associado a Rossmann) e outros. Os sistemas tipo III e tipo IV freqüentemente não possuem genes modulares de adaptação e / ou matrizes CRISPR em seus respectivos loci. Todos os sistemas do tipo I também codificam DNA helicase Cas3, que é frequentemente fundido a um domínio de nuclease da família HD. As repetições dos sistemas de classe 1 são geralmente palíndricas. Em sistemas do tipo I, um motif adjacente protospacer (PAM), que varia entre os subtipos e está localizado a 5 ′ ou 3 ′ do espaçador (proto), é necessário para adaptação e interferência.
Classe 2 Os sistemas CRISPR/Cas Classe 2 são definidos pela presença de um módulo efetor de crRNA de uma única subunidade e são divididos em 3 tipos e 18 subtipos. Os módulos efetores da Classe 2 consistem de uma única, grande, proteína multi-domínio, de tal forma que os respectivos locos CRISPR/Cas têm uma organização muito mais simples e uniforme do que os da Classe 1. Os sistemas Classe 2 representam cerca de 10% da CRISPR/Cas loci e são encontrados em diversos filos bacterianos, mas praticamente ausentes em archaea. Além das proteínas efetoras, a maioria dos locos genômicos da Classe 2 codifica a proteína do módulo de adaptação, Cas1 e Cas2, e proteínas acessórias, como a Cas4. Os loci de tipo II e tipo V-B também incluem tracRRNA (RNA de CRISPR trans-ativador), que é parcialmente complementar às repetições e está envolvido no processamento e interferência de RNA de CRISPR (cr). Alguns sistemas da Classe 2, no entanto, especialmente os do tipo VI, consistem apenas em um arranjo CRISPR e uma proteína efetora.
História
CRISPR/Cas é efetivamente uma de ocorrência natural, um mecanismo antigo de defesa encontrado em uma vasta gama de bactérias. Em retrospecto, os pesquisadores provavelmente deveriam ter previsto que as bactérias e archaea teriam sistemas imunológicos sofisticados. Afinal de contas, os vírus são os mais abundantes agentes biológicos do planeta, causando cerca de 1023 infecções a cada segundo.Explaining microbial population genomics through phage predation por F. Rodriguez-Valera, et al (Nat Rev Microbiol, 7 (2009), pp. 828–836Marine viruses - major players in the global ecosystem por Curtis A. Suttle em "Nature Reviews Microbiology" 5, 801–812 (1 de outubro de 2007) | doi:10.1038/nrmicro1750 De qualquer forma, no final dos anos 1960, Robert N. Yoshimori isolou de uma enzima chamada EcoRI. Outros cientistas logo mostraram como a enzima funcionava como um par de tesouras moleculares, a clivagem de DNA em uma única seqüência. Este tipo de corte permitiu colar juntos DNA circulares de vírus chamados plasmídeos, ou mesmo segmentos de genes humanos, e emenda-los juntos as extremidades do código. CRISPR and the capitalists por Jim Kozubek publicado no "Boston Globe" (2016)
Já na década de 1980, os cientistas observaram um estranho padrão em alguns genomas bacterianos. Essas repetições foram descritas pela primeira vez em 1987 por Yoshizumi Ishino e colegas da Universidade de Osaka, no Japão quando publicaram a sequência de um gene para a bactéria Escherichia coli para entender melhor como o gene trabalhava. CRISPR evoluiu através da aquisição de fragmentos curtos de ADN derivado de fagos e linhagens novas com espaçadores que são resistentes a estes fagos. thumb|left|250px|Estrutura cristalina de Streptococcus pyogenes Cas9 em complexo com sgRNA e o seu ADN alvo em resolução 2,5A˚. As repetições de agrupamentos eram muito intrigantes até que os cientistas perceberam as sequências únicas, entre as repetições combinava com o DNA de vírus especificamente vírus que atacam as bactérias. Foi descoberto que CRISPR é uma parte do sistema imunológico das bactérias, a parte que mantém pedaços de vírus perigosos ao redor para que a bactéria possa reconhecer e se defender contra os vírus da próxima vez que eles ataquem. A segunda parte do mecanismo de defesa é um conjunto de enzimas chamadas Cas (CRISPR-associated proteins proteínas associadas ao CRISPR), que podem cortar precisamente DNA e cortam fora vírus invasores. Convenientemente, os genes que codificam o Cas estão sempre estacionados em algum lugar perto as sequências CRISPR.Breakthrough DNA Editor Borne of Bacteria por Carl Zimmer em 6 de fevereiro de 2015
Ficou imediatamente claro que este documento de 1987 serviria de base para cientistas interessados em compreender os mecanismos de sistemas de defesa adaptativas em bactérias e archaea, mas poucos anteciparam os impactos mais amplos de essas descobertas para novas aplicações na engenharia de genoma. Como as bactérias podem incorporar ADN exógeno em outras circunstâncias e até mesmo eliminar o DNA danificado de seu ambiente, CRISPR em um ambiente de laboratório para uma eventual utilização médica e não médica tornou-se uma ideia viável. Há uma série de estudos publicados no início de 2000 discutindo a presença desses sistemas e investigando como eles funcionam.Identification of genes that are associated with DNA repeats in prokaryotes. por Jansen R, Embden JD, Gaastra W e Schouls LM. (Mol Microbiol. 2002 Mar;43(6):1565-75.)
A partir do ano 2000, repetições agrupamentos semelhantes foram identificadas em adicionais bactérias e archaea e foram denominadas "Repetições Curtas Regularmente Espaçadas" (). "SRSR" foi rebatizado como CRISPR em 2002. Um conjunto de genes, algumas proteínas nuclease ou ADN helicase de codificação putativas, foram encontradas sendo associadas com repetições CRISPR (CAS, ou genes associados a CRISPR).
Os trabalhos dessa área estavam fazendo o que é chamado de ciência de base, ou a ciência fundamental, investigando algo para o bem da curiosidade ou interesse - não porque eles sabiam que a investigação teria um resultado prático ou rentável.The researchers behind 'the biggest biotech discovery of the century' found it by accident por Kevin Loria, em "Business Insider" (2015) Entretanto, estas observações conduziram à hipótese de que CRISPR são componentes centrais de um sistema imunitário adaptativo, e em 2007 BarrangouCRISPR provides acquired resistance against viruses in prokaryotes por R. Barrangou et al em "Science", 315 (2007), pp. 1709–1712 [http://www.sciencemag.org/content/315/5819/1709 DOI: 10.1126/science.1138140 forneceu a primeira demonstração de imunidade adaptativa em bactérias através da monitorização loci CRISPR em culturas desafiados por fagos de Streptococcus thermophilus. Antes de CRISPR/Cas, a engenharia para uma mutação nas células era cara e trabalhosa. Era comum tese inteira de um aluno ser mudar um gene.
Então, em 2012, foi publicado um artigo[ Science. 2012 agosto 17;337(6096):816-21. doi: 10.1126/science.1225829. Epub 2012 Jun 28.