Sich bekämpfende genetische Parasiten könnten zu neuen Abwehrmechanismen gegen gefährliche Bakterien führen

CRISPR-Cas hat sich in den letzten zehn Jahren als Gen-Editing-Tool mit revolutionärem Potenzial, insbesondere in den Gesundheitswissenschaften, zu einer Art Superstar entwickelt. Ursprünglich als Immunabwehr bei Bakterien bekannt, hat sich das natürlich vorkommende CRISPR-Cas in seiner Natur als vielfältiger und vielseitiger erwiesen, als wissenschaftliche Forscher einst glaubten. Nun hat eine Forschergruppe am Institut für Biologie der Universität Kopenhagen die Prävalenz von CRISPR-Cas-Systemen in Plasmiden untersucht.

Die Forscher untersuchten mehr als 30.000 vollständige Plasmidgenome und fanden CRISPR-Cas in etwa drei Prozent von ihnen – selbst im Vergleich zu Bakterien ein hoher Anteil. Sie fanden auch verschiedene Vertreter von bis zu fünf der sechs bekannten Typen von CRISPR-Cas in den untersuchten Plasmidgenomen. Die Ergebnisse zeigen, dass CRISPR-Cas-Systeme in Plasmiden sowohl weit verbreitet als auch vielfältig sind und interessanterweise die überwiegende Mehrheit von ihnen auf andere Plasmide abzielt.

„Zum Teil ist dies spannend, weil es ein neueres Verständnis von Plasmiden unterstützt, die einen höheren Grad an Autonomie von ihren Wirtszellen, typischerweise Bakterien, haben. Aber auch, weil es auf lange Sicht Wege zur Bekämpfung von Virulenz und Resistenz eröffnen kann in Bakterien, welche Plasmide zur Ausbreitung beitragen“, erklärt Rafael Pinilla-Redondo, einer der Hauptforscher der Studie und am Institut für Biologie der Universität Kopenhagen tätig.

CRISPR wirkt wie ein genomisches GPS, bei dem ein gespeichertes Gedächtnis fremder DNA-Fragmente verwendet werden kann, um ein Ziel für Cas-Proteine, die „genetische Schere“, zu lokalisieren. Bei den meisten Studienergebnissen war es DNA von anderen Plasmiden, die im Immungedächtnis der CRISPR-Cas-Systeme entdeckt – also ins Fadenkreuz gesetzt wurde.

Teil eines Paradigmenwechsels

Laut den Forschern deutet dies auf einen Kampf um Ressourcen zwischen Plasmiden hin, bei dem Plasmide ihren eigenen Interessen dienen, indem sie aktiv daran arbeiten, andere Plasmide daran zu hindern, auf das Wirtsbakterium zuzugreifen, in dem sie sich befinden. In diesem Kampf verwenden sie CRISPR als Waffe.

Die Forscher hatten die Möglichkeit, die Wirtsbakterien des über 30.000 Plasmiddatensatzes gleichzeitig auf dieselben CRISPR-Cas-Sequenzen zu untersuchen. Die Idee war zu untersuchen, ob die in Plasmiden gefundenen Sequenzen die CRISPR-Inhalte in Wirtszellen widerspiegeln, aber das war im Allgemeinen nicht der Fall.

„Unsere Ergebnisse legen nahe, dass Plasmide ein hohes Maß an Autonomie gegenüber den Bakterien haben, in denen sie leben. Während Plasmide von ihrem Wirt abhängig sind, sind sie auch genetisch unabhängige Einheiten, die ihren eigenen Interessen dienen. Ihr unterschiedlicher CRISPR-Cas-Gehalt ist ein großartiges Beispiel dafür diese Autonomie“, sagt Rafael Pinilla-Redondo.

Die neuen Forschungsergebnisse werden zu dem beitragen, was die Forscher als Paradigmenwechsel in der Mikrobiologie bezeichnen. In der Mikrobiologie bezieht sich Genfluss oder Gentransfer darauf, wenn sich genetisches Material zwischen Zellen bewegt, vermittelte mobile genetische Elemente. Während manche beweglichen genetischen Elemente zum Wohle einer Zelle einschleusen dürfen, werden andere gestoppt, weil sie schädlich sind. Lange Zeit war allgemein bekannt, dass Bakterien den Genfluss kontrollieren.

Der Paradigmenwechsel weist auf ein Verständnis hin, wo Bakterien tatsächlich eine weitaus geringere Rolle bei der Beeinflussung des Genflusses spielen.

„Was früher angenommen wurde, dass Bakterien gegen genetische Parasiten wie Viren und Plasmide kämpfen, ist weitaus komplexer. Vielleicht sollte man es besser verstehen als die Parasiten, die sich untereinander streiten, zum Beispiel darüber, welche man darf hinter dem Ohr einer Kuh leben“, erklärt Rafael Pinilla-Redondo.

Die Möglichkeit für neue Waffen gegen Antibiotikaresistenzen

Das neue Wissen darüber, wie Plasmide CRISPR verwenden, könnte sich darauf auswirken, wie wir in Zukunft gefährliche Bakterien bekämpfen. Plasmide sind der Schlüssel zur Verbreitung schädlicher Gene zwischen Bakterien durch den sogenannten horizontalen Gentransfer.

Die Vermehrung von genetischem Material ist entscheidend für die Fähigkeit von Bakterien, sich an neue Umgebungen und Herausforderungen anzupassen. Von einem antibiotikaresistenten Bakterium kann sich ein Plasmid selbst kopieren und diese Eigenschaft als Teil seiner eigenen DNA auf umgebende Bakterien übertragen.

Daher können Kämpfe zwischen Plasmiden den Forschern helfen, mehr darüber zu erfahren, wie sie auch bekämpft werden können.

„Indem wir verstehen, wie Plasmide untereinander konkurrieren, können wir möglicherweise lernen, wie wir sie verlangsamen und dadurch die Ausbreitung von Antibiotikaresistenzen und virulenten, schädlichen Eigenschaften zwischen Bakterien verlangsamen können“, sagt Søren Johannes Sørensen, Professor für Mikrobiologie und Mitautor von der Forschungsartikel.

„Langfristig ist es möglich, dass wir uns die Strategien der Plasmide zu eigen machen und sie als Werkzeuge nutzen. Ohne Anleihen bei der Natur wären wir ziemlich eingeschränkt. Aber wenn wir etwas über die Stärken und Schwächen der lernen könnten Plasmide von sich selbst, ergeben sich Möglichkeiten“, sagt er.

Was bedeutet CRISPR-Cas?

DNA-Fragmente (CRISPR) und Cas-Proteinscheren (z. B. Cas9) können spezifische DNA-Sequenzen lokalisieren und schneiden.

Es wird prognostiziert, dass CRISPR-Cas eine revolutionäre Rolle als Gen-Editing-Tool spielen wird, nicht zuletzt in den Gesundheitswissenschaften, unter anderem zur Behandlung von genetischen Erkrankungen.

CRISPR-Systeme wurden ursprünglich als Immunsystem für Bakterien, insbesondere gegen Viren, angesehen. Viele Forscher sehen CRISPR-Cas jetzt jedoch als ein „Guns for Hire“-Tool, das von vielen verschiedenen Akteuren, einschließlich Bakterien, Plasmiden – und Menschen, für eine Vielzahl von Zwecken eingesetzt werden kann.

Was ist ein Plasmid?

Ein Plasmid ist ein kleines ringförmiges DNA-Molekül, ein sogenanntes mobiles genetisches Element, das in Bakterien und bestimmten anderen Arten von Mikroorganismen vorkommt.

Es erinnert an Viren, da beide Parasiten innerhalb von Zellen sind. Plasmide können sich unabhängig von der Wirtszelle reproduzieren und bieten der Wirtszelle oft Vorteile.

Unter anderem können sie einem Bakterium genetische Eigenschaften verleihen oder übertragen, indem sie es beispielsweise in einem Prozess, der als horizontaler Gentransfer bezeichnet wird, antibiotikaresistent oder pathogen machen.

Plasmide sind seit langem ein wichtiges Werkzeug in der Molekularbiologie, unter anderem für das Klonen von Genen und das Einbringen von genetischem Material in Bakterienzellen.

Was ist horizontaler Gentransfer?

Horizontaler Gentransfer ist, wenn ein Organismus Gene auf einen anderen Organismus überträgt, der nicht seine eigenen Nachkommen sind.

Die Fähigkeit von Bakterien, sich an neue Umgebungen und Herausforderungen anzupassen, hängt zu einem großen Teil von der Bereitstellung neuer Gene auf diese Weise ab.

Das Phänomen ist für die drohende Antibiotika-Resistenzkrise verantwortlich, da Bakterien schnell Resistenzen gegen Antibiotika entwickeln, indem sie resistente Gene erwerben. Sie wird sehr oft durch Plasmide vermittelt, was die Plasmidproliferation zu einem globalen Problem der öffentlichen Gesundheit macht.

Über die Studie: Forscher haben einen CRISPR-Scanner entwickelt

Um die Prävalenz von CRISPR-Cas in Plasmiden zu untersuchen, verwendeten die Forscher die größte Sammlung vollständig sequenzierter Plasmidgenome, einen Datensatz, der von Forschern auf der ganzen Welt zusammengestellt wurde.

Um die gewaltigen Datenmengen zu bewältigen, entwickelten die Forscher der Fakultät für Biologie eine Software zum Scannen nach bekannten CRISPR-Teilen. Das Programm mit dem Namen CRISPRCasTyper wurde seitdem anderen Forschern frei zur Verfügung gestellt.