Ansökan: Utforskning av det CRISPR-baserade immunsystemet i prokaryoter

Tidsperiod:

1 januari 2012 – 31 december 2015

Projektledare:

Magnus Lundgren

Finansiär:

Vetenskapsrådet

Bidragstyp:

Projektbidrag

Budget:

2 200 000 SEK

Virus finns i praktiskt taget alla miljöer, och ofta i mycket stora mängder. I havsvatten kan det finnas miljontals virus i varje droppe, där de allra flesta infekterar mikroorganismer. Förståelse av virus är av stor betydelse för att förstå utvecklingen på jorden eftersom virus utgör ett hot mot de flesta livsformer. Dessa organismer har i sin tur utvecklat olika immunsystem för att bemöta virushotet. Vi människor använder både ett ospecifikt system som hjälper oss genom att skapa en miljö som försvårar överlevnad för smittämnena, och ett anpassningsbart (adaptivt) system. Det adaptiva systemet lär sig känna igen smittämnen och attackerar dem direkt, och skyddar oss även från framtida infektioner. De allra flesta organismer har olika former av ospecifika system för att skydda sig, men adaptiva system har ansetts vara begränsat till ryggradsdjur. Därför väckte det stor uppmärksamhet när en grupp forskare för några år sedan upptäckte att även många bakterier har ett adaptivt system, men av en helt annan typ än det som vi människor använder oss av. Det mänskliga systemet är mycket komplext, och kräver flera olika celltyper och produktion av antikroppar för att fungera. Det nyupptäckta systemet, kallat CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) är mycket enklare. CRISPR-systemet finns i varje cell hos de arter som har systemet, och kräver endast ett fåtal proteiner för att fungera. Systemet är mycket elegant i sin enkelhet, korta bitar av DNA från viruset sätts in i bakteriens egen arvsmassa och användes sedan av bakterien för att känna igen virus-DNA och oskadliggöra det.

Även om vi snabbt har lärt oss de grundläggande delarna i hur CRISPR-systemet fungerar så vet vi mycket lite om själva mekanismen. Mycket forskning har utförts för att förstå hur den vanliga laboratoriebakterien Escherichia coli använder sitt CRISPR-system. Ett stort problem är dock att CRISPR-systemet i de E. coli-stammar som används i laboratorier är helt inaktivt, och endast fungerar om det uttrycks på konstgjord väg. Den ena delen av mitt projekt är inriktad på att studera E. coli-stammar från naturen som har samma CRISPR-system som laboratoriestammarna, och kartlägga aktiviteten hos dessa. Många av dem visar tecken på att vara aktiva. Identifiering av ett aktivt system skulle vara ett stort genombrott och möjliggöra studier av en mängd processer som idag inte går att undersöka. Framförallt kommer jag att studera hur nya bitar av virus-DNA sätts in i CRISPR, hur nya repeterade sekvenser bildas, och hur systemet kontrolleras av cellen.

Den andra delen av mitt projekt handlar om överföring av CRISPR till en helt ny organism. Gener flyttas ofta mellan arter som inte är närbesläktade. Detta kallas horisontell överföring och är fundamentalt olikt den vanliga vertikala genöverföringen (från förälder till avkomma). CRISPR-systemet flyttas ofta horisontellt mellan arter, ibland mellan arter som är väldigt avlägset besläktade, vilket visar att det har få krav på värdcellen för att fungera. Detta möjliggör test av systemet i arter som aldrig förut har haft ett CRISPR-system, särskilt de arter som tillhör gruppen eukaryoter, som t.ex. växter, svampar och djur. Avsikten med mitt projekt är att utveckla ett skräddarsytt immunsystem för eukaryota celler baserat på CRISPR. Jag kommer att undersöka systemets överförbarhet och vilka faktorer som det kräver för att fungera. Systemet kan även utvecklas för att undersöka dess potential för att skydda t.ex. industriellt viktiga organismer som är känsliga för virusangrepp. Som testsystem kommer den vanliga jästen Saccharomyces cerevisiae att användas, då det lätt att utföra genetiska experiment på den. I förlängningen kommer systemet testas även på andra organismer.