CRISPR-Cas9 wird seit langem mit einer Art genetischer Schere verglichen, da es jeden gewünschten Abschnitt der DNA mit eleganter Präzision herausschneiden kann.
Wie sich herausstellt, haben CRISPR-Systeme jedoch mehr als eine Strategie in ihrem Werkzeugkasten. Dieser Mechanismus wurde ursprünglich bei Bakterien entdeckt, wo er seit Äonen als adaptives Immunsystem fungiert. Bestimmte Einzeller setzen CRISPR auf natürliche Weise ein, um sich vor Viren (Phagen genannt) und anderen fremden genetischen Fragmenten zu schützen. Nun haben Forscher am Rockefeller Laboratory of Bacteriology unter der Leitung von Luciano Marraffini und am Structural Biology Laboratory des MSKCC unter der Leitung von Dinshaw Patel entdeckt, wie ein CRISPR-System Eindringlinge nicht nur mit genetischen Scheren bekämpft, sondern auch als eine Art molekularer Schädlingsbekämpfer fungiert. In einer kürzlich in Cell publizierten Studie stellten die Wissenschaftler fest, dass dieses CRISPR-Cas10 genannte System ein virusinfiziertes Bakterium mit toxischen Molekülen überschwemmt und so die Ausbreitung des Virus in der übrigen Bakterienpopulation verhindert.
„Es handelt sich um eine völlig neue Art der CRISPR-Chemie“, sagt Co-Erstautor Christian Baca, ein TPCB-Doktorand im Marraffini-Labor. „Es ist ein weiterer Beweis dafür, dass CRISPR-Systeme über eine Reihe von Immunstrategien verfügen.“
Zellenabschaltung
Es gibt sechs Typen von CRISPR-Systemen („clustered regularly interspaced short palindromic repeats“); CRISPR-Cas9 ist beispielsweise Typ II, wobei das Enzym Cas9 als DNA-Schere fungiert. Für die aktuelle Studie untersuchten die Forscher ein Typ-III-System namens CRISPR-Cas10.
In beiden Systemen identifizieren Leit-RNAs problematisches genetisches Material und die Enzyme beginnen, es zu zerschneiden. Der CRISPR-Cas10-Komplex produziert jedoch auch eine Menge kleiner zweiter Botenmoleküle, sogenannter zyklischer Oligoadenylate (cOAs), die dazu beitragen, die Zellaktivität zu stoppen und so die Ausbreitung des Virus zu verhindern. Diese zweite Angriffslinie ist vergleichbar mit der Ausräucherung eines von Schädlingen befallenen Raums und dem anschließenden schnellen Schließen der Tür, um den Befall einzudämmen, damit er sich nicht auf den Rest des Hauses ausbreiten kann.
Diese zweiteilige Reaktion ist weitgehend eine Frage des Timings, sagt Baca. „Cas10 allein kann einen Phagen oder ein Plasmid aus einer Zelle entfernen, solange das Zieltranskript, das von der Leit-RNA erkannt wurde, früh in der Virusinfektion hergestellt wird. Wenn der problematische Schnipsel jedoch erst in einem späteren Stadium der Infektion hergestellt wird, sind diese cOA-Moleküle für die Abwehr unerlässlich“, sagt er. „Auf diese Weise funktionieren Typ-III-CRISPR-Systeme ähnlich wie angeborene Immunitätswege bei Säugetieren wie cGAS-STING, die zyklische Nukleotide produzieren, um eine Wirtsreaktion zu aktivieren“, fügt Marraffini hinzu.
Während man so viel wusste, war man über die molekulare Dynamik, die dahinter steckt, wie genau ein neues CRISPR-Protein vom Typ III, die CRISPR-assoziierte Adenosin-Desaminase 1 (Cad1), die Zellabschaltung bewirkt, noch nicht im Bilde.
Eine giftige Wolke
Um das herauszufinden, führten die Forscher eine detaillierte molekulare und strukturelle Analyse von Cad1 durch. Mithilfe von Kryo-EM und anderen fortschrittlichen Methoden konnten sie ungewöhnliche Strukturen und Dynamiken aufdecken, die erklären, wie das System die Zellaktivität pausiert.
Im CRISPR-Cas10-System wird Cad1 durch die Bindung von cOAs an einen Teil des Proteins namens CARF-Domäne auf die Anwesenheit eines Virus aufmerksam gemacht. Dies wiederum regt Cad1 an, ATP (die Energiewährung der Zelle) in ITP (ein Zwischennukleotid, das normalerweise in kleinen Mengen in der Zelle vorhanden ist) umzuwandeln, das dann die Zelle überflutet. ITP wirkt in hohen Dosen für Zellen giftig, so dass die Zellaktivität zum Stillstand kommt und die Zelle in einen Ruhezustand versetzt wird.
„Die infizierte Zelle wird getötet, wenn das Virus in ihr eingeschlossen wird, aber die größere Bakterienpopulation bleibt geschützt“, sagt Co-Erstautorin Puja Majumder, Postdoktorandin am Patel Lab. Warum dies diese Auswirkungen hat, ist unklar. Eine Theorie ist, dass überschüssiges ITP um Bindungsstellen konkurriert, die normalerweise von ATP oder GTP in Proteinen besetzt sind, die für die normale Zellfunktion entscheidend sind; eine andere ist, dass hohe ITP-Werte die DNA-Replikation von Phagen beeinträchtigen.
„Aber wir wissen noch nicht wirklich, warum“, sagt Majumder.
https://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2024.10.002
