01.03.2018

DNA-Schere kann auch RNA zerschneiden

HIRI-Forscher entdecken weitere Einsatzmöglichkeiten der Cas9-Scheren

Bakterien verfügen über ein Immunsystem namens CRISPR-Cas9[C1], das fremde DNA eliminiert. Würzburger Forscher haben nun entdeckt, dass es auch RNA zerschneiden kann – ein Resultat mit potenziell weit reichenden Konsequenzen.

DNA_Fotolia_44697347_L_edit_590x240.jpgAbbildung eines DNA-Stranges. © Adobe Stock/Sergey NivensUnsere Fähigkeit, den Inhalt von Genen nach Belieben zu verändern – sei es, um genetische Erkrankungen zu kurieren oder Agrarpflanzen zu verbessern – wird momentan revolutioniert. Angetrieben wird diese Revolution durch eine neuartige Technologie namens CRISPR-Cas9. Sie basiert auf einem Immunsystem von Bakterien. Dieses Abwehrsystem erkennt und zerschneidet fremdes Erbgut – die DNA – eindringender Viren und schützt die Bakterien so vor einer Infektion.

Für das Einbringen des Schnitts ist dabei das Cas9-Protein zuständig, das als eine Art Schere fungiert. Andere Bestandteile des Systems leiten die Cas9-Schere zu der Stelle in der DNA, die zerschnitten werden soll. Wissenschaftler können diese Leitfunktion programmieren: Sie können dadurch gezielt bestimmte Gene modifizieren– nicht nur in Bakterien, sondern auch in Pflanzen und Tieren.

Schere auf spezifische RNA-Moleküle programmiert

Von den Cas9-Scheren weiß man, dass sie typischerweise DNA zerlegen. Wissenschaftler der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) und des Helmholtz-Instituts für RNA-basierte Infektionsforschung (HIRI), einem Standort des Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung (HZI), konnten nun zeigen, dass die Cas9-Schere aus dem Lebensmittelkeim Campylobacter jejuni noch mehr kann.

Würzburger Wissenschaftler haben nachgewiesen, dass eine Genschere aus dem Bakterium Campylobacter auch RNA schneiden kann. Das Bild zeigt von links Prof. Dr. Cynthia Sharma, Sara Eisenbart, Thorsten…V. l. n. r.: Prof. Dr. Cynthia Sharma, Sara Eisenbart, Thorsten Bischler und Belinda Aul vom IMIB sowie Prof. Dr. Chase Beisel vom HIRI. (Foto: Hilde Merkert, IMIB)„Das Protein hat die Fähigkeit, neben DNA auch verwandte Moleküle zu zerschneiden – die Ribonukleinsäuren, kurz RNAs“, betont Prof. Dr. Cynthia Sharma vom Institut für molekulare Infektionsbiologie (IMIB) der Universität Würzburg. „Nicht nur das: Wir konnten das Cas9-Protein so programmieren, dass es sich spezifisch gegen ausgewählte RNA-Moleküle richtet.“

RNA spielt in allen Lebensformen eine zentrale Rolle. Vor allem dient es in den Zellen als „Bote“ der Erbinformation. Vereinfacht gesagt, ähnelt die DNA einem riesigen Lexikon, das Tausende von Bauanleitungen enthält – die Gene. Wenn eine Zelle ein bestimmtes Protein herstellen möchte, fordert sie die passende Anleitung an. Dazu werden die entsprechenden Seiten des Lexikons abgeschrieben. Diese Abschriften bestehen aus RNA. Die in ihnen gespeicherte Information wird dann in Proteine übersetzt.

Einsatzspektrum der Schere erweitert sich

Dass die Cas9-Scheren auch RNA zerlegen können, erweitert ihr Einsatzspektrum. So lässt sich mit dieser Funktion möglicherweise besser kontrollieren, welche Gene an- oder abgeschaltet werden. Eventuell lassen sich mit ihr auch menschliche Viren bekämpfen, deren Erbgut aus RNA besteht, oder die Erreger einer Infektion schneller nachweisen.

Die Wissenschaftler entdeckten die Eigenschaft der Genschere, als sie sich anschauten, welche Moleküle an das Cas9-Protein von Campylobacter binden. Darunter waren auch zahlreiche RNAs. Weitere Analysen zeigten dann, dass das Cas9-Protein diese RNAs nicht nur binden, sondern auch in einer ähnlichen Weise wie DNA schneiden kann – und dass Cas9 so programmiert werden kann, dass sie sich gezielt gegen spezifische RNAs richtet.

Dieser Befund war erstaunlich, weil man bislang annahm, Cas9 könne normalerweise nur DNA zerlegen.

Prof. Dr. Chase Beisel, Leiter der Arbeitsgruppe Biologie synthetischer RNA am HIRI

„Dieser Befund war erstaunlich, weil man bislang annahm, Cas9 könne normalerweise nur DNA zerlegen“, erklärt Prof. Dr. Chase Beisel. Beisel ist kürzlich von der NC State Universität in den USA an das HIRI gewechselt und hat in dem Projekt mit Prof. Sharma kooperiert.

Möglicherweise ein generelles Merkmal der Scheren

Die Cas9-Schere aus Campylobacter steht mit ihrer Fähigkeit, RNA zu schneiden, nicht allein: Zwei weitere Arbeitsgruppen haben kürzlich diese Eigenschaft auch bei den Cas9-Proteinen aus zwei anderen Bakterien nachgewiesen. Möglicherweise handelt es sich also um ein generelles Merkmal der Genscheren.

Unbekannt ist bislang, inwieweit die Fähigkeit, RNA zu schneiden, für die Mikroorganismen von Nutzen ist. Es gibt jedoch zunehmend Hinweise darauf, dass das CRISPR/Cas-System nicht nur als Immunsystem dient: Möglicherweise reguliert es auch, welche Gene in Bakterien an- oder abgeschaltet werden.

Originalpublikation:

Gaurav Dugar, Ryan T. Leenay, Sara K. Eisenbart, Thorsten Bischler, Belinda U. Aul, Chase L. Beisel und Cynthia M. Sharma: CRISPR RNA-dependent binding and cleavage of endogenous RNAs by the Campylobacter jejuni Cas9; Molecular Cell, DOI: 10.1016/j.molcel.2018.01.032

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