Biochemiker beschreiben Struktur und Funktion des neu entdeckten CRISPR-Immunsystems

Die Biochemiker der Utah State University, Thomson Hallmark und Ryan Jackson, veröffentlichten diese Woche zusammen mit Mitarbeitern zwei wegweisende Arbeiten. Ihre Ergebnisse beschreiben die Struktur und Funktion eines neu entdeckten CRISPR-Immunsystems, das – im Gegensatz zu bekannteren CRISPR-Systemen, die fremde Gene deaktivieren, um Zellen zu schützen – infizierte Zellen abschaltet, um Infektionen zu verhindern.

„Bei diesem neuen System, bekannt als Cas12a2, sehen wir eine Struktur und Funktion, die sich von allem unterscheidet, was bisher in CRISPR-Systemen beobachtet wurde“, sagt Jackson, Assistenzprofessor am Department of Chemistry and Biochemistry des Staates Utah.

Die USU-Forscher berichten zusammen mit Kollegen vom deutschen Helmholtz-Institut für RNA-basierte Infektionsforschung, dem US-amerikanischen Biotechnologieunternehmen Benson Hill und der University of Texas at Austin über ihre Ergebnisse in Tandemartikeln mit dem Titel „Cas12a2 löst abortive Infektionen durch RNA-ausgelöste Zerstörung von dsDNA“ und „RNA Targeting Unleashes InDiscrimate Nuclease Activity of CRISPR-Cas12a2“, veröffentlicht in der Ausgabe vom 4. Januar 2023 von Natur.

CRISPR, ein überschaubares Akronym für den Mund voll „Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats“, hat mit seinem Potenzial zur Genbearbeitung die Fantasie von Wissenschaftlern und Laien gleichermaßen erregt. Die Untersuchung von CRISPR-DNA-Sequenzen und CRISPR-assoziierten (Cas) Proteinen, die eigentlich bakterielle Immunsysteme sind, ist noch ein junges Gebiet, obwohl es für seine Gen-Editing-Anwendungen und den jüngsten Nobelpreis, der Jennifer Doudna und Emmanuel Charpentier verliehen wurde, breite Aufmerksamkeit erhält . Jackson und Hallmark gehören zu den Forschern auf der ganzen Welt, die die Grundstruktur dieser Systeme und ihre Funktionsweise entschlüsseln.

„Die Ergebnisse, die in unseren beiden gemeldet wurden Natur Papiere waren fast sechs Jahre in der Herstellung“, sagt Jackson.

Das Klasse-2-Typ-V-Cas12a2, das in den letzten fünf Jahren als eigenständiges Immunsystem identifiziert wurde, ist dem bekannteren CRISPR-Cas9 etwas ähnlich, das an die Ziel-DNA bindet und sie – wie eine molekulare Schere – schneidet und ein Zielgen effektiv abschaltet . Aber CRISPR-Cas12a2 bindet ein anderes Ziel als Cas9, und diese Bindung hat eine ganz andere Wirkung.

„Das Cas12a2-Protein erfährt bei der Bindung an RNA große Konformationsänderungen, die eine unterschiedslose aktive Stelle für die DNA-Zerstörung öffnen“, sagt Jackson. „Cas12a2 zerstört die DNA und RNA in den Zielzellen und lässt sie altern.“

Unter Verwendung von Kryo-Elektronenmikroskopie oder „Kryo-EM“ demonstrierte das USU-Team diesen einzigartigen Aspekt von CRISPR-Cas12a2, einschließlich seines RNA-getriggerten Abbaus von einzelsträngiger RNA, einzelsträngiger DNA und doppelsträngiger DNA, was zu einer natürlichen auftretende Abwehrstrategie namens abortive Infektion.

„Eine abortive Infektion ist eine natürliche Phagenresistenzstrategie, die von Bakterien und Archaeen genutzt wird, um die Ausbreitung von Viren und anderen Krankheitserregern zu begrenzen“, sagt Hallmark, ein Doktorand im dritten Jahr. „Zum Beispiel verhindert eine fehlgeschlagene Infektion, dass sich virale Komponenten, die eine Zelle infiziert haben, replizieren.“

Jackson sagt, das Team habe die Struktur von Cas12a2 beim Schneiden doppelsträngiger DNA erfasst.

„Unglaublicherweise biegen Cas12a2-Nukleasen das normalerweise gerade Stück doppelhelikaler DNA um 90 Grad, um das Rückgrat der Helix in das enzymatisch aktive Zentrum zu zwingen, wo es geschnitten wird“, sagt er. „Es ist eine außergewöhnliche Strukturänderung, die man beobachten kann – ein Phänomen, das bei anderen Wissenschaftlern hörbares Aufkeuchen hervorruft.“

Jackson sagt, der Unterschied zwischen einer gesunden Zelle und einer bösartigen Zelle oder einer infizierten Zelle sei genetisch bedingt.

„Wenn Cas12a2 genutzt werden könnte, um Zellen auf genetischer Ebene zu identifizieren, anzugreifen und zu zerstören, wären die potenziellen therapeutischen Anwendungen signifikant“, sagt er.

Darüber hinaus könnten die RNA-Diagnosefähigkeiten von Cas12a2, die in der Reihe von Artikeln beschrieben werden, die Bemühungen vorantreiben, die Auswirkungen einer Reihe von genetischen Krankheiten einzudämmen.

„Wir kratzen nur an der Oberfläche, aber wir glauben, dass Cas12a2 zu verbesserten und zusätzlichen CRISPR-Technologien führen könnte, die der Gesellschaft großen Nutzen bringen werden“, sagt Jackson.