Forschenden aus Würzburg und den USA ist die Entdeckung einer neuen Genschere gelungen. Die bakterielle Immunabwehr legt infizierte Zellen lahm und könnte die molekularbiologische Diagnostik voranbringen.
Auch Bakterien können sich gegen Angreifer wie Viren wehren. Dafür haben sie eigene Immunabwehrstrategien entwickelt: Bakterielle Abwehrsysteme wie CRISPR-Cas verfügen über verschiedene Proteine und Funktionen, die den Bakterien helfen, sich gegen Eindringlinge zu schützen.
Die Abwehr basiert dabei auf einem gemeinsamen Grundmechanismus: Eine CRISPR-Ribonukleinsäure (crRNA), die als "Leit-RNA" dient, hilft dabei, Regionen eines fremden Genoms, etwa die DNA eines Virus, zu erkennen, um sie gezielt unschädlich zu machen. Die von einer crRNA geleitete Nuklease kann ihr Ziel wie eine Schere zerschneiden. Das ist eine Strategie der Natur, die sich der Mensch technologisch auf vielfältige Weise zunutze gemacht hat.
Nun ist Forschenden des Helmholtz-Instituts Würzburg in Kooperation mit Benson Hill, Inc. (Missouri) und der Utah State University in den USA eine unerwartete Entdeckung gelungen: Sie haben eine Nuklease gefunden, genannt Cas12a2, die eine gänzlich neue Art der CRISPR-Immunabwehr darstellt. Das Besondere: Wenn Cas12a2 invasive RNA erkennt, spaltet die Nuklease diese, kann aber auch andere RNA und DNA in der Zelle schädigen. Das tötet die Zelle und dämmt so die Infektion ein.
Auch einige andere CRISPR-Cas-Systeme funktionierten auf diese Weise. „Ein CRISPR-basierter Abwehrmechanismus, der sich auf eine einzige Nuklease stützt, um den Eindringling zu erkennen und zelluläre DNA und RNA abzubauen, wurde jedoch noch nie beobachtet“, sagt Prof. Chase Beisel vom Würzburger Helmholtz-Institut für RNA-basierte Infektionsforschung (HIRI). Die Einrichtung ist ein Standort des Braunschweiger Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung in Kooperation mit der Julius-Maximilians-Universität Würzburg, der Chase Beisel als Leiter des Lehrstuhls für synthetische RNA-Biologie angehört.
Cas12a2 kann für die molekulare Diagnostik und den direkten Nachweis von RNA-Biomarkern verwendet werden, wie ein Machbarkeitsbeweis ergeben habe.
Die Ergebnisse wurden im Journal Nature publiziert:
Dmytrenko O, Neumann GC, Hallmark T, Keiser DJ, Crowley VM, Vialetto E, Mougiakos I, Wandera KG, Domgaard H, Weber J, Gaudin T, Metcalf J, Gray BN, Begemann MB, Jackson RN, Beisel CL (2023): Cas12a2 elicits abortive infection via RNA-triggered destruction of dsDNA. Nature, www.nature.com/articles/s41586-022-05559-3
Bravo JPK, Hallmark T, Naegle B, Beisel CL, Jackson RN, Taylor DW (2023): Large-scale structural rearrangements unleash indiscriminate nuclease activity by CRISPR-Cas12a2, Nature, www.nature.com/articles/s41586-022-05560-w