Die Genschere CRISPR, ein neues Werkzeug der Molekularbiologie, hat ihren Ursprung in einem uralten bakteriellen Immunsystem. Doch ist ein Virusangriff erfolgreich überstanden, muss sich die Zelle erholen.
Forscher des Universitätsklinikums Bonn (UKB) und der Universität Bonn haben in Zusammenarbeit mit Forschern des Institut Pasteur in Frankreich einen in die Genschere integrierten Timer entdeckt, der es der Genschere ermöglicht, sich selbst abzuschalten. Die Ergebnisse der Studie wurden veröffentlicht im Journal Nukleinsäureforschung.
Einige Bakterien haben als Reaktion auf Angriffe sogenannter Phagen die Genschere CRISPR entwickelt. Dieses bakterielle Immunsystem erkennt das Phagen-Erbgut, zerstört es und schützt so vor Virenangriffen.
Die Typ-III-Varianten dieser Immunsysteme produzieren beim Erkennen von Phagen Botenstoffe mit zyklischen Oligoadenylaten (cOAs), mit deren Hilfe die Bakterien einen komplexen Notfallplan einschalten. So wird sichergestellt, dass ein Virus optimal und auf breiter Front bekämpft werden kann.
Das Forschungsteam um PD Dr. Gregor Hagelueken vom Institut für Strukturbiologie des UKB, der Mitglied im Transdisziplinären Forschungsbereich (TRA) Life & Health und im Exzellenzcluster ImmunoSensation2 der Universität Bonn ist, fand heraus, dass der von der Genschere produzierte Botenstoff cA4 an ein Protein namens CalpL bindet. Die so aktivierte Proteinschere löst eine Signalkaskade aus, die der Zelle hilft, den Virusangriff zu überleben.
Damit hatten die Bonner Forscher einen völlig neuen Aspekt der CRISPR-Systeme aufgedeckt, die sich für biotechnologische und medizinische Zwecke leicht umprogrammieren lassen. „Die von uns entdeckte CRISPR-aktivierte Proteinschere ist ein völlig neues Werkzeug im Werkzeugkasten der Molekularbiologie“, sagt Niels Schneberger, Doktorand am Institut für Strukturbiologie des UKB der Universität Bonn, der an der Entdeckung des CalpL-Proteins maßgeblich beteiligt war.
Zellerholung durch Begrenzung der antiviralen Reaktion
„Nach einem Virusangriff ist es allerdings entscheidend, die verbleibenden zyklischen Oligoadenylate zu eliminieren, um die antivirale Reaktion zu beenden und die Zelle in ihren Normalzustand zurückzuführen“, sagt Sophie Binder, die sich mit Schneberger die Erstautorenschaft der Studie teilt und zugleich Doktorandin am Institut für Strukturbiologie des UKB der Universität Bonn ist.
In Zusammenarbeit mit Forschern vom Institut Pasteur in Paris und dem Kekulé-Institut für Organische Chemie und Biochemie der Universität Bonn konnten die Bonner Forscher nun zeigen, dass die sogenannte SAVED-Domäne der CalpL-Protease über eine Ringnuklease-Aktivität verfügt, die cA4 spaltet.
„Das Protein enthält also so etwas wie einen molekularen Timer, der die Immunreaktion abschaltet. Durch die Zerlegung von cA4 in lineare Fragmente wird die Dauer der Immunantwort reguliert, was eine kontrollierte Rückkehr der Zelle in den Normalzustand ermöglicht“, sagt Binder.
Eine schaltbare Protease wie CalpL ist auch für biotechnologische Anwendungen hochinteressant. Sie ließe sich beispielsweise als molekularer Sensor einsetzen. „Die neu entdeckte Ringnuklease-Aktivität ist für solche Zwecke eigentlich ein Nachteil“, sagt PD Dr. Hagelueken. „In unserer Studie konnten wir allerdings auch zeigen, wie man die Ringnuklease-Aktivität gezielt hemmen kann, sodass sich der Sensor nicht wieder abschaltet.“
Weitere Informationen:
Sophie C Binder et al, Die SAVED-Domäne der Typ III CRISPR-Protease CalpL ist eine Ringnuklease, Nukleinsäureforschung (2024). DOI: 10.1093/nar/gkae676