Neues CRISPR-Element steuert Virenabwehr

Was muss ich heute alles erledigen und welche Aufgabe ist am dringlichsten? Ob im Beruf oder im Privatleben: Menschen müssen ständig Prioritäten setzen.

Bakterien geht es da nicht anders: Auch sie müssen priorisieren, wenn sie mit ihrem Abwehrsystem CRISPR-Cas gegen Viren vorgehen. Wie diese Prioritätensetzung funktioniert, war jedoch lange unklar. Erstmals beschreibt ein Forschungsteam im Fachmagazin Nature Microbiology nun einen Mechanismus, welcher der bakteriellen Priorisierung zugrundeliegt.

Das gelang Forschenden vom Helmholtz-Institut für RNA-basierte Infektionsforschung (HIRI) in Würzburg, einem Joint Venture des Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung (HZI) und der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU), in Kooperation mit Forschenden der Universitäten Würzburg, Freiburg und Leipzig.

Abwehrsysteme nehmen virale DNA-Schnipsel auf

Die meisten Bakterien verfügen über CRISPR-Cas-Systeme, die sie vor Virusinfektionen schützen. Die Abwehrsysteme nehmen Schnipsel der viralen DNA auf und speichern sie zwischen festen, sich wiederholenden Sequenzen. Diese Abschnitte – abwechselnd bestehend aus Wiederholungen und DNA-Schnipseln von Viren – produzieren dann CRISPR-RNAs. Diese helfen dem System, Viren zu erkennen und zu bekämpfen.

So bietet das Aufnehmen eines viralen DNA-Schnipsels sofortigen Schutz. Durch die Speicherung des Schnipsels in der Bakterien-DNA wird der Schutz auch an neue Generationen weitergegeben.

Das Speichern birgt jedoch ein Risiko: Wenn Dutzende oder sogar Hunderte solcher Schnipsel vorliegen, überfordert die gleichzeitige Suche die CRISPR-Cas-Systeme. Deswegen haben die Systeme eine Methode entwickelt, um die neusten Schnipsel für die Abwehr zu priorisieren. Sie bieten so einen stärkeren Schutz gegen die Viren, mit denen die Zelle zuletzt in Berührung gekommen ist. Dieses Phänomen war zwar bereits bekannt, der zugrundeliegende Mechanismus jedoch bisher ein Rätsel.

Leader-RNA priorisiert die Immunabwehr

Das Forschungsteam hat unter Verwendung des CRISPR-Cas9-Systems des Erregers Streptococcus pyogenes herausgefunden, dass die sogenannte Leader-RNA die Immunabwehr priorisiert. Diese Sequenz grenzt an den Abschnitt aus Wiederholungen und Viren-DNA an und ist ansonsten für das Aufnehmen der Viren-DNA verantwortlich.

Bei der Transkription, also dem Umschreiben von DNA in RNA, faltet sie sich mithilfe der ersten beiden Wiederholungen, die den neusten Virusschnipsel umgeben. Sie treibt so die Produktion der ersten CRISPR-RNA stärker an als die anderer CRISPR-RNAs. Das System bereitet sich also auf die Suche nach dem Virus vor, das zuletzt in die Zelle eingedrungen ist.

„Der Mechanismus findet sich spezifisch bei vielen CRISPR-Systemen mit dem Cas9-Protein, die üblicherweise für die Genombearbeitung verwendet werden. Wahrscheinlich gibt es jedoch noch weitere Mechanismen für die Priorisierung der Virenabwehr“, sagt Chunyu Liao, Erstautorin der Studie in Nature Microbiology und ehemals HIRI-Postdoc.

Neues Element in der CRISPR-Biologie

„Dieses Ergebnis war völlig unerwartet. Bisher wurde angenommen, dass die Leader-Sequenz nur steuert, wo neue virale Schnipsel integriert werden“, sagt der korrespondierende Autor der Studie, Chase Beisel. Er ist Professor an der JMU und Leiter der Abteilung Synthetische RNA-Biologie am HIRI.

„Die Struktur, die sich zwischen dieser Sequenz und den ersten beiden sich wiederholenden Abschnitten bildet, ist ein neues Element in der CRISPR-Biologie. Es offenbart eine weitere Möglichkeit, wie RNA zur Immunabwehr beitragen kann. Unsere Forschungsarbeit weist der Leader-Sequenz, die bisher nicht mit der CRISPR-RNA-Produktion in Verbindung gebracht wurde, eine ganz neue Rolle zu“, ergänzt Liao.

Position der viralen DNA-Schnipsel ist wichtig

„Der Chemie-Nobelpreis 2020 wurde unter anderem für die Entdeckung verliehen, wie CRISPR-Systeme mit Cas9 CRISPR-RNAs produzieren. Unsere Studie bietet neue Einblicke in diesen Prozess: Sie zeigt, warum die Position dieser Schnipsel genauso wichtig ist wie deren Sequenz“, beschreibt Beisel die Bedeutung der Forschungsergebnisse.

Der neu entdeckte Mechanismus bietet nicht nur Einblicke in das Wettrüsten zwischen Bakterien und Viren. Er könnte auch zur Entwicklung multiplexfähiger CRISPR-Technologien für die Behandlung von Krankheiten genutzt werden, die durch eine Vielzahl von Mutationen im Genom verursacht werden.

Publikation

Spacer prioritization in CRISPR-Cas9 immunity is enabled by the leader RNA. Liao C, Sharma S, Svensson SL, Kibe A, Weinberg Z, Alkhnbashi OS, Bischler T, Backofen R, Caliskan N, Sharma CM, Beisel CL (2022). Nature Microbiology, DOI: 10.1038/s41564-022-01074-3