Ein Forschungsteam des Helmholtz-Instituts für RNA-basierte Infektionsforschung (HIRI) in Würzburg hat gemeinsam mit Kolleg:innen des Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung (HZI) und der Utah State University (USU) eine bislang unbekannte Funktion innerhalb der CRISPR-Abwehrsysteme entdeckt. Im Zentrum der Entdeckung steht die Nuklease Cas12a3, die gezielt Transfer-RNA (tRNA) angreift – ein fundamentaler Mechanismus, der nun in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurde.
CRISPR-Cas-Systeme gelten als wichtige Grundlage für moderne Genom-Editierung. Dass sie darüber hinaus auch hochspezifische Abwehrstrategien gegen Infektionen nutzen, zeigt die nun identifizierte Funktion von Cas12a3. Im Gegensatz zu bekannten Cas-Nukleasen spaltet Cas12a3 selektiv tRNAs an deren konservierter 3′-Schwanzregion – ein bislang unbekannter Mechanismus, mit dem infizierte Zellen gezielt inaktiviert werden können.
Die Entdeckung war für das Team um Chase Beisel, affiliierter Abteilungsleiter am HIRI und korrespondierender Autor der Studie, unerwartet. Ursprünglich untersuchte man im Labor Nukleasen der Cas12a-Familie. Dabei zeigte sich, dass Cas12a3, anders als verwandte Enzyme wie Cas12a2, nicht breit zerstörerisch, sondern hochpräzise agiert und sich speziell an eine Schwanzregion der tRNA bindet und sie schneidet. Diese tRNA-Bindung und -Spaltung erfolgt über eine einzigartigen Teil der identifizierten Struktur – die sogenannte „tRNA-Ladedomäne“.
Die hohe Präzision konnten die Forschenden sich direkt zunutze machen: Sie kombinierten Cas12a3 mit zwei weiteren Nukleasen, die ebenfalls zielgenau schneiden, sich jedoch auf andere spezifische RNAs konzentrieren. Mithilfe dieser Kombination war es dem Team möglich, gleichzeitig RNAs von drei verschiedenen Viren – dem Influenzavirus, dem Respiratorischen Syncytial-Virus (RSV) und SARS-CoV-2 – nachzuweisen. Die Ergebnisse liefern somit wichtige Impulse für die Entwicklung neuer, kostengünstiger Point-of-Care-Diagnostik gegen eine Vielzahl von Krankheiten.
Das Spalten von tRNA-Schwänzen stellt eine neue CRISPR-Immunantwort dar und zeugt damit von den vielfältigen Möglichkeiten, mit denen Bakterien Infektionen abwehren können. Die Arbeit rückt somit die enorme funktionelle Vielfalt in den Fokus, die in bereits bekannten bakteriellen Abwehrmechanismen verborgen ist und die es zu untersuchen gilt.
Mit ihrer Arbeit zeigt das Würzburger HIRI erneut seine wissenschaftliche Exzellenz im Bereich RNA-basierter Infektionsforschung und beleuchtet zugleich das bislang unterschätzte Potenzial innerhalb bakterieller CRISPR-Systeme. Weitere Studien zur Funktion und Anwendbarkeit als Technologie für die molekulare Diagnostik und andere Anwendungen von Cas12a3 sind bereits geplant.