CRISPR – Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats – ist die Antwort der mikrobiellen Welt auf adaptive Immunität. Bakterien erzeugen keine Antikörper, wenn sie von einem Krankheitserreger befallen werden, und halten diese Antikörper dann zurück, für den Fall, dass sie erneut auf denselben Krankheitserreger stoßen, wie es bei uns der Fall ist. Stattdessen bauen sie einen Teil der DNA des Krankheitserregers in ihr eigenes Genom ein und verknüpfen sie mit einem Enzym, das damit die DNA-Sequenz des Krankheitserregers erkennen und in Stücke schneiden kann, falls der Krankheitserreger jemals wieder auftaucht.
Das Enzym, das das Schneiden durchführt, heißt Cas (CRISPR-assoziiert). Obwohl sich das CRISPR-Cas-System als bakterieller Abwehrmechanismus entwickelte, wurde es von Forschern als leistungsstarkes Werkzeug zur Genmanipulation in Laborstudien genutzt und angepasst. Es hat sich auch in der Landwirtschaft bewährt, und die erste CRISPR-basierte Therapie wurde gerade im Vereinigten Königreich zur Behandlung von Sichelzellenanämie und transfusionsabhängiger Beta-Thalassämie zugelassen.
Jetzt haben Forscher eine neue Methode entwickelt, um Genome nach CRISPR-Cas-ähnlichen Systemen zu durchsuchen. Und sie haben herausgefunden, dass wir möglicherweise viele zusätzliche Tools haben, mit denen wir arbeiten können.
DNA verändern
Bisher wurden sechs Arten von CRISPR-Cas-Systemen in verschiedenen Mikroben identifiziert. Obwohl sie sich im Detail unterscheiden, haben sie alle den gleichen Reiz: Sie liefern Proteine an eine bestimmte Sequenz genetischen Materials mit einem Grad an Spezifität, der bisher technisch schwierig, teuer und zeitaufwändig zu erreichen war. Jede interessierende DNA-Sequenz kann in das System programmiert und gezielt eingesetzt werden.
Die in Mikroben vorkommenden nativen Systeme bringen normalerweise eine Nuklease – ein DNA-spaltendes Enzym – in die Sequenz ein, um das genetische Material eines Krankheitserregers zu zerhacken. Diese Fähigkeit, jede beliebige DNA-Sequenz zu schneiden, kann zur Genbearbeitung genutzt werden; Zusammen mit anderen Enzymen und/oder DNA-Sequenzen können damit zusätzliche kurze Sequenzen eingefügt oder gelöscht werden, wodurch mutierte Gene korrigiert werden. Einige CRISPR-Cas-Systeme spalten spezifische RNA-Moleküle anstelle von DNA. Diese können verwendet werden, um pathogene RNA, wie die Genome einiger Viren, so zu eliminieren, wie sie in ihren einheimischen Bakterien eliminiert werden. Dies kann auch zur Behebung von Defekten in der RNA-Verarbeitung genutzt werden.
Aber es gibt viele weitere Möglichkeiten, Nukleinsäuren zu modifizieren, die nützlich sein könnten. Und es ist eine offene Frage, ob sich Enzyme entwickelt haben, die zusätzliche Modifikationen durchführen. Daher beschlossen einige Forscher, nach ihnen zu suchen.
Forscher am MIT haben ein neues Tool zur Erkennung variabler CRISPR-Arrays entwickelt und es auf 8,8 Tera (1012)-Basenpaare prokaryotischer Genominformationen angewendet. Viele der von ihnen gefundenen Systeme sind selten und tauchten erst in den letzten zehn Jahren im Datensatz auf, was unterstreicht, wie wichtig es ist, diesen Datenspeichern weiterhin Umweltproben hinzuzufügen, die zuvor schwer zugänglich waren.
Das neue Tool war erforderlich, weil die Datenbanken mit Protein- und Nukleinsäuresequenzen rasend schnell wachsen und die Techniken zur Analyse all dieser Daten daher Schritt halten müssen. Einige Algorithmen, die zu ihrer Analyse verwendet werden, versuchen, jede Sequenz mit jeder anderen zu vergleichen, was bei Milliarden von Genen offensichtlich unhaltbar ist. Andere verlassen sich auf Clustering, aber diese finden nur Gene, die sehr ähnlich sind, sodass sie nicht wirklich Aufschluss über die evolutionären Beziehungen zwischen entfernt verwandten Proteinen geben können. Aber schnelles ortsabhängiges Hashtag-basiertes Clustering („Flash-Clust“) funktioniert, indem es Milliarden von Proteinen in weniger, größere Cluster von Sequenzen zusammenfasst, die sich leicht unterscheiden, um neue, seltene Verwandte zu identifizieren.
Die Suche mit FLSHclust ergab erfolgreich 188 neue CRISPR-Cas-Systeme.
Viel Knusprigkeit
Aus der Arbeit gingen einige Themen hervor. Zum einen nutzen einige der neu identifizierten CRISPR-Systeme Cas-Enzyme mit nie zuvor gesehenen Domänen oder scheinen Fusionen mit bekannten Genen zu sein. Die Wissenschaftler haben einige davon weiter charakterisiert und herausgefunden, dass eines spezifischer ist als die derzeit verwendeten CRISPR-Enzyme, und ein anderes, das ihrer Meinung nach RNA schneidet, strukturell deutlich genug ist, um einen völlig neuen siebten Typ von CRISPR-Cas-Systemen zu bilden.
Eine Folge dieses Themas ist die Verknüpfung von Enzymen mit unterschiedlichen Funktionalitäten, nicht nur Nukleasen (Enzyme, die DNA und RNA schneiden), mit CRISPR-Arrays. Wissenschaftler haben sich die bemerkenswerte Fähigkeit von CRISPR zur Gen-Targetierung zunutze gemacht, indem sie es mit anderen Arten von Enzymen und Molekülen wie Fluoreszenzfarbstoffen verknüpft haben. Aber die Evolution kam offensichtlich zuerst dorthin.
Als ein Beispiel identifizierte FLSHclust eine sogenannte Transposase, die mit zwei verschiedenen Arten von CRISPR-Systemen assoziiert ist. Eine Transposase ist ein Enzym, das einem bestimmten DNA-Abschnitt hilft, zu einem anderen Teil des Genoms zu springen. Die RNA-gesteuerte Transposition von CRISPR wurde bereits beobachtet, aber dies ist ein weiteres Beispiel dafür. Es wurde festgestellt, dass eine ganze Reihe von Proteinen mit unterschiedlichen Funktionen, wie Proteine mit Transmembrandomänen und Signalmolekülen, mit CRISPR-Arrays verknüpft sind, was den Mix-n-Match-Charakter der Entwicklung dieser Systeme unterstreicht. Sie fanden sogar ein von einem Virus exprimiertes Protein, das an CRISPR-Arrays bindet und diese inaktiv macht – im Wesentlichen inaktiviert das Virus das CRISPR-System, das zum Schutz vor Viren entwickelt wurde.
Die Forscher fanden nicht nur neue Proteine, die mit CRISPR-Arrays assoziiert sind, sondern auch andere regelmäßig beabstandete Wiederholungsarrays, die nicht mit irgendwelchen Cas-Enzymen assoziiert waren – ähnlich zu CRISPR, aber nicht zu CRISPR. Sie sind sich nicht sicher, welche Funktionalität diese RNA-gesteuerten Systeme haben könnten, spekulieren jedoch, dass sie genauso wie CRISPR an der Verteidigung beteiligt sind.
Die Autoren machten sich daran, „einen Katalog RNA-gesteuerter Proteine zu finden, der unser Verständnis der Biologie und Evolution dieser Systeme erweitert und einen Ausgangspunkt für die Entwicklung neuer Biotechnologien bietet.“ Sie scheinen ihr Ziel erreicht zu haben: „Die Ergebnisse von „Diese Arbeit offenbart eine beispiellose organisatorische und funktionale Flexibilität und Modularität von CRISPR-Systemen“, schreiben sie. Sie kommen zu dem Schluss: „Dies stellt nur einen kleinen Bruchteil der entdeckten Systeme dar, aber es beleuchtet die Weite und das ungenutzte Potenzial der Artenvielfalt der Erde.“ Die verbleibenden Kandidaten werden als Ressource für zukünftige Explorationen dienen.“
Artikel DOI: 10.1126/science.adi1910