Teulu o ddilyniannau DNA mewn bacteria yw CRISPR (/ˈkrɪspr/). Mae'r dilyniannau yn cynnwys darnau DNA o firwsau sydd wedi ymosod ar y bacteria. Mae'r bacteria wedyn yn defnyddio'r darnau DNA yma i ddarganfod a dinistrio DNA mewn ymosodiadau eraill gan firwsau tebyg. Mae dilyniannau CRISPR yn rhan bwysig o system amddiffyn bacteria.[1] Maen nhw hefyd yn cael eu defnyddio fel rhan o dechnoleg o'r enw CRISPR/Cas9 sy'n gallu newid genynnau mewn organebau mewn ffordd effeithiol a manwl.[2]
System imiwnedd mewn organebau procaryotig yw CRISPR/Cas. Mae'n system sy'n rhoi ymwrthedd rhag elfennau genetig dieithr, megis y rheiny sy'n bresennol mewn plasmidau o facteria eraill ac mewn firwsau bacterioffag.[3][4][5] Maen nhw'n darparu math o imiwnedd caffaeledig i'r bacteria. Mae RNA sy'n dal y dilyniant o'r ymosodwyr blaenorol yn helpu proteinau Cas i ddarganfod a thorri DNA dieithr. Call proteinau Cas eraill, hefyd wedi eu harwain gan RNA, dorri RNA dieithr fel a geir yn lle DNA mewn rhai firwsau.[6] Fe welir dilyniannau CRISPR mewn tua 40% o'r genomau bacteriaidd sydd wedi eu dilyniannu, ac mewn 90% o archaea sydd wedi eu dilyniannu.[7]
Daw'r talfyriad CRISPR o'r enw Saesneg - Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats.[8] Bathwyd yr enw pan nad oedd gwyddonwyr yn gwybod am darddiad a defnydd is-ddilyniannau ysbeidiol. Ar y pryd, disgrifwyd CRISPR fel darnau o DNA procaryotig yn cynnwys dilyniannau byr, ailadroddol. Mewn dilyniannau ailadroddol palindromig, mae dilyniant y niwcleotidau yr un fath yn y ddau gyfeiriad. Dilynnir pob adran ailadroddol gan ddarnau byr o ddarnau DNA ysbeidiol o ymosodiadau blaenorol i DNA dieithr (ee firws neu blasmid).[9] Ceir clystyrau bychain o enynnau cas (system yn gysylltiedig â CRISPR) o gwmpas dilyniannau CRISPR.
Mae fersiwn syml o system CRISPR/Cas, o'r enw CRISPR/Cas9, wedi ei addasu i olygu genomau. Wrth ddanfon yr ensym niwcleas Cas9 wedi ei gyfuno ag RNA arwain (gRNA) synthetig i mewn i gell, gellir torri genom y gell mewn man dewisiol, gan ganiatau dileu genynnau a/neu ychwaneug genynnau newydd.[10] Mae'r cymhlygyn Cas9-gRNA yn cyfateb â'r cymhlygyn CAS III-crRNA yn y diagram uchod mewn bacteria.
Mae gan dechnegau golygu genom CRISPR/CAS lawer o ddefnyddiau posibl, yn cynnwys mewn meddygaeth ac mewn gwella cnydau. Cyhoeddwyd yn 2015 mai system olygu genom CRISPR/Cas9-gRNA[11][12] oedd dewis cymdeithas y AAAS fel darganfyddiad gwyddonol y flwyddyn.[13] Mae rhai pryderon ethegol wedi eu crybwyll ynglŷn â defnyddio CRISPR ar gyfer golygu'r llinach genhedlu.[14]
Daeth y disgrifiad cyntaf o beth sydd erbyn hyn yn cael ei alw'n CRISPR o ymchwilydd ym Mhrifysgol Osaka, Yoshizumi Ishino, yn 1987. Ar gamgymeriad, fe gloniodd ran o ddilyniant CRISPR ynghyd â genyn iap, y terged oedd Ishino â diddordeb ynddo. Roedd trefniant y dilyniannau ailadroddol yn anarferol - fel arfer, mae dilyniannau ailadroddol wedi eu trefnu yn olynol ar hyd dilyniannau DNA, heb ymyriadau rhyngddynt. Doedd gwyddonwyr ar y pryd ddim yn gwybod beth oedd swyddogaeth dilyniannau ailadroddol ysbeidiol mewn clystyrau.[15]
Yn 1993, cyhoeddodd ymchwilwyr yn yr Iseldiroedd oedd yn gweithio ar Mycobacterium tuberculosis (y bacteria sy'n achosi twbercwlosis neu'r diciâu) ddwy erthygl am glwstwr o ddilyniannau ailadroddol uniongyrchol â darnau eraill o DNA rhyngddynt yn y bacteriwm. Fe welodd yr ymchwilwyr fod y darnau DNA ysbeidiol yma yn amrywio yn arw rhwng straenau gwahanol o M. tuberculosis.[16] Fe ddefnyddion nhw'r nodwedd yma i ddatblygu dull o ddosbarthu'r straenau, ac mae'r dull yma - spoligotyping - yn cael ei ddefnyddio hyd heddiw.[17][18]
Ar yr un pryd, gwelwyd dilyniannau ailadroddol yn y rhywogaethau archaea Haloferax a Haloarcula. Dechreuodd Francisco Mojica astudio swyddogaeth y dilyniannau ailadroddol yma ym Mhrifysgol Alicante yn Sbaen. Er fod ei ragdybiaeth wreiddiol yn anghywir, dyfalodd Mojica ar y pryd fod y clystyrau yma o ddilyniannau ailadroddol yn bwysig ar gyfer didoli DNA datblygedig i mewn i epigelloedd yn ystod cellraniad oherwydd nad all blasmidau a chromosomau â dilyniannau o'r un fath gydfodoli yn Haloferax volcanii. Gwelodd Mojica hefyd drawsgrifiad y dilyniannau ailadroddol bylchog am y tro cyntaf.[19] Erbyn 2000, roedd grŵp ymchwil Mojica wedi dynodi dilyniannau ailadroddom bylchog mewn 20 rhywogaeth o ficrobau.[20] Yn 2001, cynnigwyd y term CRISPR am y tro cyntaf gan Mojica a Ruud Jansen (roedd Jansen hefyd yn chwilio am ddilyniannau tebyg) er mwyn lleihau'r dryswch ynglŷn â'r talfyriadau gwahanol oedd yn cael eu defnyddio mewn erthyglau gwyddonol.[21]
Daeth gwelliant mawr yn nealltwriaeth gwyddonwyr o CRISPR pan sylweddolodd Jansen fod genynnau arbenning bob amser i'w gweld ynghyd â'r clystyrau a welodd o ddilyniannau ailadroddol. Rhoddwyd yr enw CRISPR-associated systems, neu cas, ar y genynnau yma. Gwelodd Jansen bedwar genyn cas yn gyntaf (cas 1 i 4. Roedd gan y proteinau Cas fotiffau helicas a niwcleas, gan awgrymu eu bod yn bwysig ar gyfer strwythur dynamig y locws CRISPR.[22] Hwn oedd y cyhoeddiad lle bathwyd yr enw CRISPR fel enw cyffredinol y patrwm. Ond parhaodd swyddogaeth CRISPR i fod yn ddirgelwch.
Yn 2005, dangosodd tri grwp ymchwil annibynnol fod rhai dilyniannau ysbeidiol CRISPR wedi dod o DNA bacterioffag a DNA o du allan i'r cromosom, megis plasmidau.[24][25][26] I bob pwrpas, tameidiau o DNA sydd wedi ceisio ymosod ar y gell yn flaenorol yw'r dilyniannau ysbeidiol yma. Roedd y darganfyddiad hwn yn arwydd y gallai system CRISPR/cas chwarae rhan yn imiwnedd ymaddasol bacteria.[27] Yn gyntaf, fe wrthododd y cylchgronau gwyddonol mwyaf enwog bob un o'r tri gwaith ymchwil, ond fe'u cyhoeddwyd yn ddiweddarach mewn cylchgronau eraill.[28]
Cyhoeddwyd yr erthygl gyntaf i gynnig y gall CRISPR-Cas chwarae rhan mewn imiwnedd mewn microbau gan grŵp Mojica yn 2005. Rhagdybiodd Mojica y gallai trawsgrifiad RNA y dilyniannau ysbeidiol chwarae rhan gan alluogi'r system i adnabod targed y protein Cas. Byddai mecanwaith o'r fath yn cyfateb i system ymyriant RNA mewn celloedd ewcaryotig. Felly, yr un pryd ag y daeth Ian Wilmut yn enwog am glônio Dolly'r ddafad,[29][30] estynodd Koonin a'i gydweithwyr (2005) y rhagdybiaeth ymyriad RNA gan gynnig dulliau gweithio ar gyfer yr is-fathau gwahanol o CRISPR-Cas yn ôl swyddogaeth rhagweliedig eu proteinau.[31] Cynnigiodd eraill fod y dilyniannau CRISPR yn arwain ensymau Cas i ddiraddio DNA firysau.
Dangosodd gwaith ymchwil o lawer o grwpiau gwahanol y mecanweithiau sylfaenol wrth wraidd imiwnedd CRISPR-Cas. Yn 2007, cyhoeddwyd y dystiolaeth arbrofol gyntaf mai system imiwnedd ymaddasol oedd CRISPR. Caffaelodd locws CRISPR yn Streptococcus thermophilus ddilyniannau ysbeidiol o DNA firws oedd yn ymosod arno. Llwyddodd yr ymchwilwyr i newid ymwrthedd S. thermophilus i firws bacterioffag gan ychwanegu a dileu dilyniannau ysbeidiol wedi eu canfod mewn firysau gwahanol.[32] Yn 2008, dynododd Brouns a chydweithwyr gymhlygyn protein Cas mewn E. coli oedd yn gallu torri'r RNA CRISPR o fewn i'r dilyniannau ailadroddol i mewn i foleciwlau RNA yn cynnwys dilyniannau ysbeidiol; fe welodd yr ymchwilwyr fod o moleciwlau yma yn aros ynghlwm i'r cymhlygyn protein. Yr un flwyddyn, dangosodd Marraffini a Sontheimer ddilyniant CRISPR yn S. epidermidis oedd yn targedu DNA yn hytrach nag RNA er mwyn atal cyfunedd. Doedd y darganfyddiad hwn ddim yn cydfynd â'r syniad fod mecanwaith imiwnedd CRISPR-Cas yn debyg i system ymyriad RNA, er y darganfyddwyd system CRISPR-Cas oedd yn targedu RNA dieithr yn ddiweddarach mewn Pyrococcus furiosus. Dangosodd gwaith yn 2010 fod CRISPR-Cas yn torri'r ddau edafedd o DNA firysau bacterioffag a phlasmidau yn S. thermophilus.[33]
Dechreuodd ymchwilwyr astudio system CRISPR mwy syml o Streptococcus pyogenes sy'n defnyddio'r protein Cas9. Mae pedwar rhan i system endoniwcleas Cas9, sy'n cynnwys dau foleciwl RNA bychan o'r enw RNA CRISPR (crRNA) ac RNA CRISPR traws-ysgogi (tracrRNA).[34] Llwyddodd Jennifer Doudna ac Emmanuelle Charpentier i ailadeiladu a symleiddio'r endoniwcleas Cas9 gan gyduno'r ddau foleciwl RNA i ffurfio un RNA arwain. Gall Cas9 wedyn, pan wedi ei gyfuno â'r RNA arwain, ddarganfod a thorri targed penodol mewn DNA wedi ei ddynodi gan yr RNA arwain. Gan newid dilyniant niwcleotid yr RNA arwain, gellid rhaglennu'r system Cas9 i dargedu unrhyw ddilyniant DNA er mwyn ei dorri. Dangosodd grŵp arall o gydweithwyr, yn cynnwys Šikšnys, Gasiūnas, Barrangou a Horvath y gallant hefyd ail-ragnlennu'r Cas9 o system CRISPR S. thermophilus er mwyn targedu man o'u dewis gan newid ei ddilyniant crRNA. Rhoddodd y datblygiadau hyn hwb i ymdrechion gwyddonwyr i olygu genomau gen ddefnyddio'r system CRISPR-Cas9.
Dangosodd dau grŵp ymchwil ar yr un pryd a'i gilydd y gellid defnyddio CRISPR/Cas9 er mwyn golygu'r genom dynol mewn celloedd meithrin.[35][36][37] Ers hynny, mae'r system wedi ei defnyddio mewn ystod eang o organebau, gan gynnwys burum pobi (Saccharomyces cerevisiae),[38][39][40] pysgod rhesog (D. rerio),[41] pryfed ffrwythau (Drosophila melanogaster),[42] nematodau (C. elegans),[43] planhigion,[44] llygod,[45] mwncïod[46] ac ebryonau dynol.
Mae CRISPR hefyd wedi ei addasu ar gyfer creu ffactorau trawsgrifiad y gellir eu rhaglennu. Gan ddefnyddio'r rhain, gall wyddonwyr dargedu a throi genynnau penodol ymlaen neu i ffwrdd.[47]
Erbyn diwedd 2014, roedd oddeutu 1000 o erthyglau ymchwil yn crybwyll CRISPR wedi eu cyhoeddi.[48][49] Mae'r dechnoleg wedi ei defnyddio er mwyn diffodd genynnnau mewn celloedd a llinachau o gelloedd dynol, i astudio Candida albicans, i addasu'r burum sy'n cael ei ddefnyddio i greu biodanwydd, ac ar gyfer addasu genetig mewn cnydau. Gellir defnyddio CRISPR hefyd i newid mosgitos fel nad allant drosglwyddo afiechydon megis malaria.[50]
Mae systemau golygu genom CRISPR/Cas9 yn defnyddio system CRISPR Math II. Pan gaiff ei defnyddio ar gyfer golygu genom, mae'r system yn cynnwys Cas9, crRNA, tracrRNA ac adran opsiynol o dempled atgyweirio DNA.
Yn cynnwys yr RNA arwain sy'n lleoli'r adran gywir o DNA y targed, ynghyd â safle sy'n clymu'r moleciwl i'r tracrRNA i ffurfio cymhlygyn gweithredol.
tracrRNA
Yn clymu i'r crRNA i ffurfio cymhlygyn gweithredol.
sgRNA
RNA arwain unigol. RNA cyfunedig sy'n cynnwys tracrRNA ac oleiaf un crRNA.
Cas9
Yn ei ffurf weithredol, gall y protein hwn addasu DNA. Gall mathau gwahanol o Cas9 weithredu mewn ffyrdd gwahanol (hy rhicio un edafedd, torri'r ddau edafedd neu glymu at DNA).
Templed atgyweirio
DNA i arwain y broses atgyweirio DNA, gan alluogi ychwanegu dilyniant newydd i'r bwlch ar ôl i Cas9 dorri DNA y targed.
↑"Biological significance of a family of regularly spaced repeats in the genomes of Archaea, Bacteria and mitochondria". Molecular Microbiology36 (1): 244–6. Ebrill 2000. doi:10.1046/j.1365-2958.2000.01838.x. PMID10760181.
↑Barrangou, Rodolphe; van der Oost, John (2013). CRISPR-Cas Systems : RNA-mediated Adaptive Immunity in Bacteria and Archaea. Heidelberg: Springer. t. 6. ISBN978-3-642-34656-9.
↑"CRISPR elements in Yersinia pestis acquire new repeats by preferential uptake of bacteriophage DNA, and provide additional tools for evolutionary studies". Microbiology151 (Pt 3): 653–63. Mawrth 2005. doi:10.1099/mic.0.27437-0. PMID15758212.
↑"Clustered regularly interspaced short palindrome repeats (CRISPRs) have spacers of extrachromosomal origin". Microbiology151 (Pt 8): 2551–61. Awst 2005. doi:10.1099/mic.0.28048-0. PMID16079334.
↑"What history tells us XXXVII. CRISPR-Cas: The discovery of an immune system in prokaryotes". Journal of Biosciences40 (2): 221–3. Mehefin 2015. doi:10.1007/s12038-015-9532-6. PMID25963251.
↑Doudna, J. A; Charpentier, E (2014). "The new frontier of genome engineering with CRISPR-Cas9". Science346 (6213): 1258096. doi:10.1126/science.1258096. PMID25430774.