Studie enthüllt die 3D-Struktur eines Proteins, das an der Genombearbeitung beteiligt ist

Die Genbearbeitung ist einer der neuesten Durchbrüche in der Biologie. Das weithin bekannte Gen-Editierungssystem CRISPR-Cas verschaffte Prokaryoten (Organismen ohne Zellkern) eine Immunität gegen fremde DNA. Seit der Entdeckung der CRISPR-Geneditierungstechnologie enthüllen Wissenschaftler die Evolution der CRISPR-Cas-Proteine ​​von ihren Vorläufern.

Dieses Wissen wird ihnen helfen, andere kleine und neue Genombearbeitungswerkzeuge für die Gentherapie zu entwickeln. An der Universität Tokio arbeitet die Gruppe von Prof. Osamu Nureki daran, die Struktur und Funktion der an der Genomeditierung beteiligten Proteine ​​zu identifizieren. In einer aktuellen Studie des Teams entdeckten sie die 3D-Struktur eines Proteins namens TnpB, einem wahrscheinlichen Vorläufer des CRISPR-Cas12-Enzyms. Ihre Ergebnisse erschienen in der Zeitschrift Natur.

Frühere Forschungen deuten darauf hin, dass das TnpB-Protein wie eine molekulare Schere funktioniert und DNA mit Hilfe einer speziellen nicht-kodierenden RNA namens ωRNA schneidet. Aber genau wie die RNA-gesteuerte DNA-Spaltung funktioniert und ihre evolutionäre Beziehung zu Cas12-Enzymen war unbekannt, was die Untersuchung des Nureki-Labors veranlasste. Ihr erster und wichtigster Schritt zum Verständnis war die Enthüllung der Proteinstruktur.

Um die dreidimensionale Struktur von TnpB zu bestimmen, nahmen die Forscher das Protein TnpB aus einem Bakterium namens Deinococcus radiodurans und verwendeten Kryo-Elektronenmikroskopie. Bei der Kryo-Elektronenmikroskopie-Technik wird die Proteinprobe mit flüssigem Stickstoff auf -196 °C gekühlt und mit Elektronenstrahlen bestrahlt, wodurch die 3D-Struktur des Proteins sichtbar wird.

Das Team fand heraus, dass die ωRNA in TnpB eine einzigartige Pseudoknotenform aufweist, die derjenigen ähnelt, die in den Leit-RNAs von Cas12-Enzymen gefunden wird. Die Studie zeigte auch, wie TnpB die ωRNA erkennt und die Ziel-DNA schneidet. Und als sie die Struktur dieses Proteins mit Cas12-Enzymen verglichen, erfuhren sie zwei mögliche Wege, wie sich TnpB zu CRISPR-Cas12-Enzymen entwickelt haben könnte.

„Unsere Ergebnisse liefern mechanistische Einblicke in die TnpB-Funktion und erweitern unser Verständnis der Evolution von TnpB-Proteinen zu CRISPR-Cas12-Effektoren“, sagt Ryoya Nakagawa, Doktorand und einer der Erstautoren der Forschungsarbeit. In Zukunft fügte er hinzu: „Wir werden die potenziellen Anwendungen von TnpB-basierten Gen-Editing-Techniken untersuchen.“