Neue Forschungsergebnisse von Cornell bieten Einblicke in eine Reihe von CRISPR-Systemen, die zu vielversprechenden antiviralen und Gewebezüchtungswerkzeugen bei Tieren und Pflanzen führen könnten.
Die Forschung von Ailong Ke, Robert J. Appel-Professorin für Molekularbiologie und Genetik am College of Arts and Sciences, und Stan JJ Brouns von der Technischen Universität Delft in den Niederlanden konzentriert sich auf ein neu entdecktes CRISPR-RNA-gesteuertes Caspase-System, auch bekannt als Craspase.
CRISPR-Cas-Systeme sind RNA-gesteuerte Nukleasen in Bakterien, die virale DNA- oder RNA-Targets an präzisen Stellen spalten, um leistungsstarke Genom-Editing-Anwendungen zu ermöglichen. Caspasen sind eine Familie von Proteasen, die den programmierten Zelltod bei Tieren, einschließlich Menschen, kontrollieren. Eine kürzliche Entdeckung, dass Caspase-ähnliche Proteine mit CRISPR-Cas assoziieren könnten, hat die wissenschaftliche Gemeinschaft elektrisiert. Solche CRISPR-gesteuerten Caspasen erhielten einen neuen Namen, Craspase.
„Auf der einen Seite war diese Assoziation völlig unerwartet und weist auf neuartige antivirale Wirkungsweisen bei Bakterien hin“, sagte Ke. „Auf der anderen Seite könnten wir ein System wie dieses nutzen, um viele biotechnologische und therapeutische Anwendungen zu entwickeln, wenn wir alle Gizmos innerhalb dieser Maschinerie verstehen.“
Die Bindung der Ziel-RNA zeigt die Gating-Schleife an, legt die aktive Stelle von Site 1 frei und löst die Cas11-Scharnierbewegung in Sb-gRAMP aus. Bildnachweis: Chunyi Hu und Ailong Ke
Das Papier der Forscher zum Thema „Craspase ist eine CRISPR RNA-geführte, RNA-aktivierte Protease“ wurde am 24. August veröffentlicht Wissenschaft. Für dieses Papier verwendeten die Forscher kryoelektronenmikroskopische Schnappschüsse von Craspase-Systemen, um zu erklären, wie sie an Ziel-RNA spalten und Protease-Enzyme aktivieren, die Proteine abbauen können.
„Diese Schnappschüsse führen zu einem hochauflösenden Molekularfilm“, sagte Ke. „Indem wir es hin und her sehen, wissen wir genau, wie Craspase ein RNA-Ziel identifiziert, wie dies wiederum die Protease aktiviert, wie lange die Aktivität anhält und was schließlich die Proteaseaktivität abschaltet Strom von dieser Plattform ziehen.“
Co-Erstautor Chunyi Hu, ein Postdoktorand in Kes Labor, sagte, es bestehe ein enormes Interesse am Craspase-System. „Viel Konkurrenz. Wir und unsere niederländischen Mitarbeiter haben unsere Kräfte gebündelt und Tag und Nacht daran gearbeitet, das Rätsel zu lösen“, sagte Hu. „Der Prozess birgt ein aufregendes Potenzial, da das Ergebnis von Craspase eher ein Protein- als ein DNA-Abbau ist.“
„Bei anderen CRISPR-Technologien macht man sich Sorgen, ob die Enzyme, die wir zur Bearbeitung unserer DNA verwenden, sicher genug sind, ob es zu Kollateralschäden oder Off-Targeting kommen könnte“, sagte Ke. „Mit Craspase können wir viele der gleichen vorteilhaften therapeutischen Ergebnisse erzielen, ohne uns Gedanken über die Sicherheit unseres Genoms machen zu müssen.“
Die in der Veröffentlichung berichtete Arbeit hilft Forschern auch zu verstehen, was Craspase in Bakterienzellen tut, sagte Ke. „Die Arbeit unserer Mitarbeiter hat gezeigt, dass es wie ein Hauptschalter ist – die proteolytische Spaltung löst eine Kaskade von Ereignissen in den Bakterienzellen aus, die sie wahrscheinlich schließlich töten“, sagte Ke. „Wir haben in dieser Studie eine Teilantwort. Wir untersuchen noch.“
Diese jüngste Forschung wird Wissenschaftlern auch helfen, die Ähnlichkeiten zwischen dem programmierten Zelltod in menschlichen Zellwegen und dem gleichen Prozess in bakteriellen Zellwegen zu verstehen.
„Wir wissen, dass die gleichen Proteasen (Caspasen) die programmierten Zelltodwege in beiden Reichen des Lebens kontrollieren“, sagte Ke. „Diese Beobachtung zeigte, wie tief verwurzelt dieser Weg ist.“
Neben der tieferen Untersuchung der funktionalen Seite dieses Prozesses, sagte Ke, wird sich das Team der Anwendungsseite zuwenden, die die Gewebezüchtung bei Tieren und die Agrartechnik umfassen könnte. „Ich hoffe, dass mehr Ermittler das Potenzial dieses Systems zu schätzen wissen und mitmachen“, sagte Ke. „Wir alle denken an CRISPR-gesteuerte Nuklease als ein Werkzeug zur Heilung genetischer Krankheiten, aber CRISPR-gesteuerte Proteasen könnten weitreichendere Auswirkungen auf die Biologie haben.“
Chunyi Hu et al., Craspase ist eine CRISPR-RNA-gesteuerte, RNA-aktivierte Protease, Wissenschaft (2022). DOI: 10.1126/science.add5064