CRISPR-Cas: Unerwünschte RNAs verhindern
CRISPR-Cas-Systeme sind die einzigen bekannten Immunabwehrsysteme in Bakterien gegen Phagen. Dabei wird ein DNA-Schnipsel des angreifenden Virus in die Bakterien-DNA eingespeichert, um zukünftige Infektionen bekämpfen zu können. Dieser Schnipsel wird zwischen zwei feste Sequenzwiederholungen eingebaut. Trifft das Bakterium erneut auf den gleichen Angreifer, wird eine CRISPR-RNA gebildet, die das System zum Angriff anleitet. In diesem komplexen Mechanismus war bisher unbekannt, wie unerwünscht gebildete CRISPR-RNA den gesamten Prozess nicht negativ beeinträchtigen.
Problematische Wiederholungssequenzen
Hierfür schaute sich ein Forschungsteam unter Federführung des Helmholtz-Instituts für RNA-basierte Infektionsforschung (HIRI) aus Würzburg den Mechanismus genauer an. Grundlage war, dass die sogenannten CRISPR-Arrays, die eingebauten DNA-Schnipsel der Phagen, mit einer Wiederholungssequenz starten und enden. Der Virenschnipsel dient dabei als Zielsequenz. Die Wiederholungssequenz am Ende dieses Arrays sorgt zwar für die Bildung einer CRISPR-RNA, der jedoch ein Ziel fehlt, eine sogenannte ecrRNA (extraneous CRISPR-RNA. Im besten Fall ist diese überflüssig, im schlimmsten Fall hindert sie den CRISPR-Mechanismus an der Arbeit. Bereits 2022 konnten Forschende jedoch zeigen, dass CRISPR-Cas-Systeme das verhindern können. Die Systeme, welche die Nuklease Cas9 zum Schneiden nutzen, verhindern die problematische Wiederholung und die Bildung einer ecrRNA durch eine zusätzliche RNA stromaufwärts. Diese RNA bindet an die Schlusssequenz, wodurch keine ecrRNAs gebildet werden, erläutert Chase Beisel, affiliierter Abteilungsleiter am HIRI, der die aktuelle Forschungsarbeit initiierte.
Konvergente Evolution
Bisher war unklar, ob auch andere Cas-Systeme diesen Mechanismus nutzen. Hierfür untersuchte das internationale Forschungsteam das CRISPR-Cas13-System. „Wir konnten herausfinden, dass viele CRISPR-Cas13-Systeme ebenfalls über RNA verhindern, dass sich ecrRNAs bilden“, erklärt Angela Migur, ehemalige Postdoktorandin im Labor von Chase Beisel. Die schützende RNA formt eine Art Haarnadelstruktur an der Wiederholung, die verhindert, dass eine ecrRNA gebildet wird. „Das Auftreten der ‚Haarnadel‘ war unerwartet, da sich CRISPR-Cas9- und CRISPR-Cas13-Systeme unabhängig voneinander entwickelt haben und sehr unterschiedlich funktionieren“, erläutert Migur weiter. „Überraschenderweise waren die Mechanismen, die die ecrRNA-Bildung verhinderten, allerdings sehr ähnlich.“
Die neuen Erkenntnisse deuten auf einen Fall konvergenter Evolution hin. Die CRISPR-Cas-Systeme haben unabhängig voneinander ähnliche Strukturen entwickelt. Doch nicht alle CRISPR-Cas-System greifen auf solch einen Mechanismus zurück. Für diesen Mechanismus ist wichtig, ob die zusätzliche Wiederholung am Anfang oder am Ende des CRISPR-Arrays auftritt. Somit gibt es noch weitere Ansätze zur Optimierung der CRISPR-Cas-Systeme.
Durch die neuen Erkenntnisse könnten CRISPR-Cas13-Systeme noch effizienter genutzt werden. Bisher dienen sie als Forschungswerkzeug oder zur Geneditierung auf RNA-Ebene. Die virale Abwehr könnte zum Beispiel durch die Bildung von ecrRNAs gehemmt werden.
Quelle: idw
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