Cas3

📅 آخر تحديث: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة

Cas3 هو إنزيم ناقل/فك لولب الحمض النووي أحادي السلسلة (ssDNA) يعتمد على ATP، ويعمل على تحطيم الحمض النووي كجزء من المناعة القائمة على تقنية CRISPR . [ 1 ]

يُعد Cas3 بروتينًا "مميزًا" لأنظمة CRISPR من الفئة 1، ويعمل في مركب يُعرف باسم CASCADE، مع جينات cas أخرى و RNA مستهدف لتحليل الحمض النووي الفيروسي. [ 1 ]

في أبريل 2019، نشر الباحث أيلونغ كي من جامعة كورنيل ورقة بحثية في مجلة "موليكولار سيل" تصف نظامًا جديدًا لتحرير الجينات بتقنية كريسبر، يُدعى كريسبر-كاس3، والذي يتميز بقدرته على حذف أجزاء طويلة من الحمض النووي بكفاءة عالية من موقع مستهدف في الجينوم البشري . وتتفوق هذه القدرة على تلك التي تُحققها أنظمة كريسبر-كاس9 الأكثر شيوعًا . [ 2 ]

تم تطوير CONAN، وهو نهج تشخيصي قائم على تقنية CRISPR باستخدام Cas3 [ 3 ]

البنية والوظيفة

إنزيم Cas3 من بكتيريا Thermobifida fusca المحبة للحرارة هو بروتين رباعي النطاقات، يحتوي على نطاق نوكلياز من النوع HD في الطرف الأميني ، يليه نطاقان شبيهان بـ RecA يشكلان وحدة حلزونية من العائلة الفائقة 2 ، ثم رابط Cas3 الخاص والنطاق الطرفي الكربوكسيلي. يتم تمرير الحمض النووي أحادي السلسلة من الطرف 3′ إلى الطرف 5′ من نطاق الحلزونية إلى نطاق النوكلياز حيث يتم تحلله . [ 4 ]

نشاط النيوكلياز

يتكون Cas3 من نطاق نوكلياز HD ملتحم بنطاقين شبيهين بـ RecA . تُسهم هذه النطاقات في نقل وتفكيك الحمض النووي أحادي السلسلة (ssDNA) المعتمد على ATP. يُعد وجود حلزون مكشوف وبقايا التيروسين/التريبتوفان في نطاق RecA-HD ضروريًا لفعالية هذه الآلية. بالإضافة إلى ذلك، تدعم أيونات المعادن، مثل الحديد والمنغنيز والكالسيوم، وظيفة النيوكلياز، حيث تعمل على تنظيم التفاعلات بين Cas3 و Cascade. [ 5 ]

يُعدّ التحقق من صحة تسلسلات الحمض النووي المستهدفة بواسطة كاسكيد أمرًا أساسيًا لفعالية Cas3 كإنزيم نوكلياز في أنظمة كريسبر. تتم هذه العملية من خلال تحديد نمط بروتوسبيسر المجاور في موقع الهدف، يليه تكوين حلقة R لكاسكيد التي ترتبط بالحمض النووي المستهدف. يسمح هذا التركيب لـ Cas3 بالارتباط بالحمض النووي أحادي السلسلة (ssDNA) والتفاعل مع الوحدة الفرعية Cse1 لقنوات كاسكيد. على وجه التحديد، يرتبط Cas3 بالحلزون ألفا H1 لـ Cse1، مما يحفز تحلل الحمض النووي المستهدف بواسطة نشاط نوكلياز HD الخاص بـ Cas3. يتم هذا التحلل من خلال إحداث شق في الحمض النووي بواسطة نوكلياز HD في حلقة R، مما يؤدي إلى إزاحة الحمض النووي أحادي السلسلة. تعمل نطاقات RecA على توفير الطاقة اللازمة لانتقال Cas3 المعتمد على ATP على طول الحمض النووي أحادي السلسلة. [ 5 ]

نشاط الترانسلوكاز والهيليكاز

بعد تحميل Cas3 على الحمض النووي أحادي السلسلة (ssDNA) وانتقاله المعتمد على ATP، يبدأ نشاط الهيليكاز. يستطيع هيليكاز Cas3 فصل خيوط الحمض النووي المزدوجة، وقد يكون قادرًا على إزاحة بروتينات الحمض النووي الأخرى أثناء الانتقال. تحدث هذه العملية عندما ينتقل Cas3 بعيدًا عن Cascade بينما يبقى Cascade مرتبطًا بالموقع المستهدف. [ 5 ]

يحمل الطرف الكربوكسيلي لبروتين Cas3 أنماطًا مميزة لعائلة الهيليكازات الفائقة 2 من المجموعة الفرعية DExD/H . وقد ثبت أن نطاقات مماثلة تستقطب بروتينات ومركبات شريكة، وقد يكون للنطاق الطرفي لبروتين Cas3 الوظيفة نفسها. تم تحديد تسعة نطاقات محفوظة (Q، I، Ia، Ib، وII-VI) في هيليكازات النوع DExD/H من العائلة الفائقة 2. تُمكّن هذه النطاقات الهيليكازات المعتمدة على ATP من نقل أو إعادة تشكيل الأحماض النووية. يُظهر بروتين Cas3 نشاط ATPase معتمدًا على الحمض النووي أحادي السلسلة، ويتطلب أيونات Mg2+ لأداء وظيفته. بالإضافة إلى ذلك، يعتمد نشاط فك اللولب لبروتين Cas3 أيضًا على تركيز البروتين ووجود ATP. [ 6 ]

الآثار الوظيفية

تحرير الجينات

يلعب تدمير الحمض النووي المحفز بواسطة Cas3 دورًا هامًا في تفاعلات التعديل الجيني. عند ارتباط Cas3 مع Cascade، يمكنه العمل في عمليات الإدخال والحذف الجيني المستهدفة عند إدخاله إلى الخلايا كبروتينات تحمل إشارات التوطين النووي. ونظرًا لضرورة ارتباط Cascade بالحمض النووي المستهدف قبل تنشيط Cas3، فإن معدل التأثيرات الجانبية منخفض. وقد ثبت أن Cas3 يُسهّل حذف مناطق جينية واسعة، تصل إلى 200 كيلوبايت، عند التعبير عنه في خلايا HEK293 البشرية. بالإضافة إلى ذلك، تُبشّر قدرات Cas3 على تخطي الإكسونات بنتائج واعدة في علاجات التعديل الجيني المستقبلية لحالات مثل ضمور العضلات. [ 5 ]

تصوير لكاس3 من النوع IC غير النشط مقابل النشط وموقع كاس3 النشط

بالمقارنة مع قدرات Cas3 على تحرير الجينات على نطاق واسع، فإنّ إنزيمات CRISPR-Cas9 و Cas12a الرائدة حاليًا محدودة في تدخلاتها. تُنتج هذه الإنزيمات حذفًا صغيرًا وطفرات نقطية. من ناحية أخرى، يُمكن استخدام نظام Cascade-Cas3 لإجراء عمليات حذف أكبر بكثير بكفاءة عالية. ويتحقق ذلك من خلال القدرات الفريدة لـ Cas3 التي تسمح بالحذف ثنائي الاتجاه من موقع قطع واحد. بالإضافة إلى ذلك، تُتيح هذه القدرات ثنائية الاتجاه عمليات حذف سريعة مقارنةً بالإنزيمات الأخرى. [ 7 ]

المناعة التكيفية بوساطة تقنية كريسبر

تتطلب المناعة التكيفية المعتمدة على تقنية كريسبر ثلاث مراحل: اكتساب التسلسل، وتكوين الحمض النووي الريبوزي (RNA) الخاص بكريسبر، والتداخل مع الهدف. تُسهم مُركبات المراقبة الموجهة بواسطة الحمض النووي الريبوزي (RNA) الخاص بكريسبر في هذه العملية من خلال استهداف الأجسام الغريبة بكفاءة عبر التعرف على أنماط قصيرة. تستخدم أنظمة النوع IE، التي تعتمد على Cas3، مُركب Cascade كجهاز مراقبة في هذه العملية. من خلال ارتباط Cascade بالحمض النووي المستهدف وانحنائه عليه، تتشكل حلقات R، ويتم استقطاب Cas3 إلى المُركب. [ 8 ]

يعزز الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) ارتباط Cas3 بحلقات R، ويعزز هذا الارتباط نشاط إنزيم ATPase الخاص بـ Cas3. يقوم نطاق النيوكلياز HD الخاص بـ Cas3 بقطع الحمض النووي المستهدف للسلسلة المزاحة وتفكيكه في اتجاه واحد من 3' إلى 5'. قد يؤدي التفكيك بوساطة Cas3 أيضًا إلى استقطاب Cas1 و Cas2 ، وهما بروتينان يشاركان في عملية دمج الفواصل، مما يهيئ الجسم للمناعة الخارجية في المستقبل. [ 8 ]

مراجع

  1. 1 2 هي إل، سانت جون جيمس إم، رادوفيتش إم، إيفانسيتش-بيس آي، بولت إي إل (فبراير 2020). " بروتين كاس3 - مراجعة لآلة متعددة المهام" . جينات . 11 (2): 208. doi : 10.3390/genes11020208 . PMC 7074321. PMID 32085454 .  
  2. ↑ "ابتكار CRISPR-Cas3 يحمل في طياته وعداً بعلاجات للأمراض، ويساهم في تقدم العلوم" . كورنيل كرونيكل . تم الاطلاع عليه بتاريخ 7 سبتمبر 2020 .
  3. ↑ يوشيمي ك، تاكيشيتا ك، يامايوشي س، شيبومورا س، ياماوتشي ي، ياماموتو م، وآخرون . (فبراير 2022). "التشخيص القائم على تقنية كريسبر-كاس3 لفيروس سارس-كوف-2 وفيروس الإنفلونزا" . iScience . 25 (2) 103830. Bibcode : 2022iSci...25j3830Y . doi : 10.1016/j.isci.2022.103830 . ISSN 2589-0042 . PMC 8801231. PMID 35128347 .    
  4. ↑ هوو واي، نام كيه إتش، دينغ إف، لي إتش، وو إل، شياو واي، وآخرون (2014). " بنية CRISPR Cas3 تقدم رؤى آلية حول فك الحمض النووي وتحلله بواسطة Cascade" . Nature Structural & Molecular Biology . 21 (9): 771–777 . doi : 10.1038/nsmb.2875 . ISSN 1545-9985 . PMC 4156918. PMID 25132177 .    
  5. 1 2 3 4 هي إل، جيمس إم، رادوفيتش إم، إيفانسيتش-بيس آي، بولت إي إل (18 فبراير 2020). " بروتين Cas3 - مراجعة لآلة متعددة المهام" . الجينات . 11 (2): 208. doi : 10.3390/genes11020208 . ISSN 2073-4425 . PMC 7074321. PMID 32085454 .   
  6. ↑ سينكوناس تي، غاسيوناس جي، فريمو سي، بارانغو آر، هورفاث بي، سيكسنيس في (2011-04-06). "Cas3 هو نوكلياز الحمض النووي أحادي السلسلة وهيليكاز معتمد على ATP في نظام المناعة CRISPR/Cas" . مجلة EMBO . 30 (7): 1335-1342 . doi : 10.1038/emboj.2011.41 . ISSN 0261-4189 . PMC 3094125. PMID 21343909 .   
  7. ↑ Csorgo B, Leon LM, Chau-Ly IJ, Vasquez-Rifo A, Berry JD, Mahendra C, et al. (2020-10-19). "نظام Cascade-Cas3 مضغوط لهندسة الجينوم المستهدفة" . Nature Methods . 17 (12): 1183–1190 . doi : 10.1038/s41592-020-00980- w . ISSN 1548-7105 . PMC 7611934. PMID 33077967 .    
  8. 1 2 جاكسون آر إن، لافين إم، كارتر جيه، ويدنهيفت بي (2014-02-01). "إدراج Cas3 المرتبط بتقنية CRISPR في شجرة عائلة الهيليكاز" . الرأي الحالي في البيولوجيا التركيبية . الطي والارتباط / الأحماض النووية ومركباتها البروتينية. 24 : 106-114 . doi : 10.1016/j.sbi.2014.01.001 . ISSN 0959-440X . PMC 3984625. PMID 24480304 .