Tausende programmierbare DNA-Schneider in Algen, Schnecken und anderen Organismen

Eine Vielzahl von Arten, von Schnecken über Algen bis hin zu Amöben, stellen programmierbare DNA-schneidende Enzyme namens Fanzors her – und eine neue Studie von Wissenschaftlern am McGovern Institute for Brain Research des MIT hat Tausende von ihnen identifiziert. Fanzoren sind RNA-gesteuerte Enzyme, die so programmiert werden können, dass sie DNA an bestimmten Stellen schneiden, ähnlich wie die bakteriellen Enzyme, die das weit verbreitete Gen-Editing-System namens CRISPR antreiben. Die neu erkannte Vielfalt natürlicher Fanzor-Enzyme, berichtet am 27. September in der Zeitschrift Wissenschaftliche Fortschrittestellt Wissenschaftlern einen umfangreichen Satz programmierbarer Enzyme zur Verfügung, die in neue Werkzeuge für Forschung oder Medizin umgewandelt werden könnten.

„Mit der RNA-gesteuerten Biologie können Sie programmierbare Werkzeuge erstellen, die wirklich einfach zu verwenden sind. Je mehr wir also finden können, desto besser“, sagt McGovern Fellow Omar Abudayyeh, der die Forschung zusammen mit McGovern Fellow Jonathan Gootenberg leitete.

CRISPR, ein altes bakterielles Abwehrsystem, hat deutlich gemacht, wie nützlich RNA-gesteuerte Enzyme sein können, wenn sie für den Einsatz im Labor angepasst werden. CRISPR-basierte Genombearbeitungstools, die von MIT-Professor und McGovern-Forscher Feng Zhang, Abudayyeh, Gootenberg und anderen entwickelt wurden, haben die Art und Weise, wie Wissenschaftler DNA modifizieren, verändert, die Forschung beschleunigt und die Entwicklung vieler experimenteller Gentherapien ermöglicht.

Seitdem haben Forscher in der gesamten Bakterienwelt weitere RNA-Leitenzyme entdeckt, viele davon mit Eigenschaften, die sie im Labor wertvoll machen. Die Entdeckung von Fanzoren, über deren Fähigkeit, DNA auf RNA-gesteuerte Weise zu schneiden, von Zhangs Gruppe Anfang des Jahres berichtet wurde, eröffnet neue Grenzen der RNA-gesteuerten Biologie. Fanzors waren die ersten Enzyme dieser Art, die in eukaryotischen Organismen gefunden wurden – einer großen Gruppe von Lebensformen, darunter Pflanzen, Tiere und Pilze, die durch den membrangebundenen Zellkern definiert werden, der das genetische Material jeder Zelle enthält. (Bakterien, denen Kerne fehlen, gehören zu einer Gruppe, die als Prokaryoten bekannt ist.)

„Die Menschen haben schon lange nach interessanten Werkzeugen in prokaryotischen Systemen gesucht, und ich denke, dass das unglaublich fruchtbar war“, sagt Gootenberg. „Eukaryotische Systeme sind eigentlich nur eine ganz neue Art von Spielplatz zum Arbeiten.“

Eine Hoffnung besteht laut Abudayyeh und Gootenberg darin, dass Enzyme, die sich auf natürliche Weise in eukaryotischen Organismen entwickelt haben, möglicherweise besser geeignet sind, in den Zellen anderer eukaryotischer Organismen, einschließlich des Menschen, sicher und effizient zu funktionieren. Zhangs Gruppe hat gezeigt, dass Fanzor-Enzyme so manipuliert werden können, dass sie spezifische DNA-Sequenzen in menschlichen Zellen präzise schneiden. In der neuen Arbeit entdeckten Abudayyeh und Gootenberg, dass einige Fanzors auch ohne Optimierung auf DNA-Sequenzen in menschlichen Zellen abzielen können. „Dass sie in Säugetierzellen recht effizient arbeiten, war wirklich fantastisch zu sehen“, sagt Gootenberg.

Vor der aktuellen Studie wurden Hunderte von Fanzoren unter eukaryotischen Organismen gefunden. Durch eine umfangreiche Suche in genetischen Datenbanken unter der Leitung von Labormitglied Justin Lim hat das Team von Gootenberg und Abudayyeh nun die bekannte Vielfalt dieser Enzyme um eine Größenordnung erweitert.

Unter den mehr als 3.600 Fanzoren, die das Team in Eukaryoten und den sie infizierenden Viren fand, konnten die Forscher fünf verschiedene Familien der Enzyme identifizieren. Durch den Vergleich der genauen Zusammensetzung dieser Enzyme fanden sie Hinweise auf eine lange Evolutionsgeschichte.

Fanzors haben sich wahrscheinlich aus RNA-gesteuerten DNA-schneidenden bakteriellen Enzymen namens TnpBs entwickelt. Tatsächlich waren es die genetischen Ähnlichkeiten von Fanzors mit diesen bakteriellen Enzymen, die erstmals die Aufmerksamkeit sowohl von Zhangs Gruppe als auch von Gootenbergs und Abudayyehs Team erregten.

Die von Gootenberg und Abudayyeh aufgespürten evolutionären Zusammenhänge legen nahe, dass diese bakteriellen Vorläufer von Fanzors wahrscheinlich mehr als einmal in eukaryotische Zellen eingedrungen sind und deren Evolution eingeleitet haben. Einige wurden wahrscheinlich durch Viren übertragen, während andere möglicherweise durch symbiotische Bakterien eingeschleppt wurden. Die Forschung legt auch nahe, dass die Enzyme nach ihrer Aufnahme durch Eukaryoten Eigenschaften entwickelten, die für ihre neue Umgebung geeignet waren, wie etwa ein Signal, das es ihnen ermöglicht, in einen Zellkern einzudringen, wo sie Zugang zur DNA haben.

Durch genetische und biochemische Experimente unter der Leitung des Bioingenieurstudenten Kaiyi Jiang stellte das Team fest, dass Fanzoren ein aktives Zentrum zum Schneiden von DNA entwickelt haben, das sich von dem ihrer bakteriellen Vorgänger unterscheidet. Dies scheint es dem Enzym zu ermöglichen, seine Zielsequenz präziser zu schneiden. Die Vorfahren von TnpB werden aktiviert und schneiden andere Sequenzen im Röhrchen, wenn sie auf eine DNA-Sequenz in einem Reagenzglas gezielt werden. Fanzoren fehlt diese promiskuitive Aktivität. Als sie einen RNA-Leitfaden verwendeten, um die Enzyme an bestimmte Stellen im Genom menschlicher Zellen zu leiten, stellten sie fest, dass bestimmte Fanzors in der Lage waren, diese Zielsequenzen mit einer Effizienz von etwa 10 bis 20 Prozent zu schneiden.

Mit weiteren Forschungen hoffen Abudayyeh und Gootenberg, dass aus Fanzors eine Vielzahl hochentwickelter Werkzeuge zur Genombearbeitung entwickelt werden kann. „Es ist eine neue Plattform und sie verfügen über viele Funktionen“, sagt Gootenberg.

„Die Öffnung der gesamten eukaryotischen Welt für diese Art von RNA-gesteuerten Systemen wird uns viel Arbeit geben“, fügt Abudayyeh hinzu.

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News erneut veröffentlicht (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website mit Neuigkeiten über MIT-Forschung, Innovation und Lehre.