CRISPR-Cas-Systeme tragen dazu bei, Bakterien vor Viren zu schützen. In Bakterien kommen mehrere verschiedene Arten von CRISPR-Cas-Abwehrsystemen vor, die sich in ihrer Zusammensetzung und Funktion unterscheiden. Zu den heute am meisten untersuchten Proteinen gehören Cas9 und Cas12, auch bekannt als DNA oder „Genschere“, die das Gebiet der Genombearbeitung revolutioniert haben und es Wissenschaftlern ermöglichen, Genome zu bearbeiten und krankheitsverursachende Mutationen präzise zu korrigieren.
Forscher des Instituts für Biotechnologie am Zentrum für Biowissenschaften der Universität Vilnius – Dalia Smalakytė, Audronė Rukšėnaitė, Dr Bakterien und lieferte mechanistische Details zu ihrer Funktionsweise. Die Ergebnisse ihrer Studie waren veröffentlicht In Molekulare Zelle.
Ein Forscherteam unter der Leitung von Dr. Tamulaitis untersucht das bakterielle Abwehrsystem CRISPR-Cas10der als Sensor fungiert. Wenn ein Virus das Bakterium angreift, sendet es eine „Nachricht“, indem es einzigartige Signalmoleküle, sogenannte zyklische Oligoadenylate, synthetisiert.
Diese Signalmoleküle werden von verschiedenen Effektoren erkannt, also akzessorischen Proteinen im System, die die bakterielle Abwehr von Viren verstärken. Eine aktuelle Computeranalyse ergab, dass CRISPR-Cas10-Effektoren möglicherweise unterschiedliche enzymatische Aktivitäten haben, die es Bakterien ermöglichen, sich auf vielfältige Weise gegen Viren zu verteidigen.
„Die Entdeckung zyklischer Oligoadenylate und das Verständnis des Mechanismus von CRISPR-Cas10 haben großes wissenschaftliches Interesse und einen Durchbruch in der Signalwegforschung ausgelöst. Kürzlich wurde ein ähnliches Schutzprinzip in anderen bakteriellen Abwehrsystemen identifiziert: CBASS, Pycsar und Thoeris.“ „In dieser Studie haben wir den dreiteiligen CalpL-CalpT-CalpS-Effektor untersucht, der durch CRISPR-Cas10-Signalmoleküle aktiviert wird, und erklärt, wie dieses komplexe System funktioniert und wie es reguliert wird“, erklärt Dr. Tamulaitis.
Der CalpL-CalpT-CalpS-Effektor besteht aus drei Schlüsselproteinen: CalpL, das als signalerkennende Proteinschere fungiert; CalpS, ein Protein, das die Genexpression reguliert; und CalpT, ein Inhibitor des CalpS-Proteins. Die Forscher verwendeten eine Kombination aus biochemischen, biophysikalischen, bakteriellen Überlebenstests und kryogener Elektronenmikroskopie (Kryo-EM), um dieses System zu untersuchen. Sie fanden heraus, dass CalpL, wenn es ein Molekül bindet, das eine Virusinfektion signalisiert, ein Polymerfilament variabler Zusammensetzung bildet.
Die Filamentstruktur ermöglicht die Bindung des CalpT-CalpS-Heterodimers, wodurch das aktive Zentrum des Scheren-CalpL in der Nähe des Inhibitors CalpT positioniert wird und es ihn spalten kann. Sobald CalpT gespalten wurde, wird CalpS aus dem Heterodimer freigesetzt und kann die Genexpression regulieren, um das Bakterium vor einer Virusinfektion zu schützen.
Eine der Autorinnen, Dalia Smalakytė, weist darauf hin, dass die Aktivität der CRISPR-Cas-Proteinschere zeitlich streng reguliert ist. Die Proteinschere verfügt über einen internen Timer-Mechanismus, der bei der Bindung von Signalmolekülen und der Filamentbildung aktiviert wird. Dieser Mechanismus ist im Vergleich zu anderen ähnlichen signalempfindlichen Effektorproteinen einzigartig.
Der neu entdeckte Mechanismus des CRISPR-Cas10-Systems verdeutlicht die Komplexität des bakteriellen Abwehrsystems. Diese Studien ebnen den Weg für die praktische Anwendung der regulierten CRISPR-Cas-Proteinschere als molekularer Indikator für Infektionen.
Weitere Informationen:
Dalia Smalakyte et al., Filamentbildung aktiviert Protease- und Ringnukleaseaktivitäten von CRISPR Lon-SAVED, Molekulare Zelle (2024). DOI: 10.1016/j.molcel.2024.09.002