Wissenschaftler:innen der Universität von Kalifornien, San Francisco (UCSF, USA) in Zusammenarbeit mit Forschenden des Helmholtz-Instituts für RNA-basierte Infektionsforschung (HIRI) und des Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung (HZI) in Braunschweig, wie ein virales Anti-CRISPR-Protein an der bakteriellen Proteinfabrik, dem Ribosom, bindet und diese blockiert, sobald sich das CRISPR-Protein Cas12 zu bilden beginnt. Dies löst die „Qualitätskontrolle“ des Ribosoms aus. In der Folge wird das entstehende Protein zusammen mit seinem Boten-RNA-Bauplan zerstört. Das HIRI ist ein Standort des HZI in Kooperation mit der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU).
AcrVA2 ist das einzige bekannte Anti-CRISPR-Protein, das CRISPR auf diese Weise sabotiert. „Als wir AcrVA2 erstmals zusammen mit Cas12 in Bakterienzellen einbrachten, sahen wir, wie Cas12 verschwand“, sagte Joseph Bondy-Denomy, Professor für Mikrobiologie und Immunologie an der UCSF und leitender Autor der Studie. „Wir gingen davon aus, dass Anti-CRISPR-Proteine Cas-Proteine binden, um sie am Schneiden zu hindern. Dies war jedoch etwas völlig anderes.“
Ribosomen bilden Cas12 auf Grundlage genetischer Anweisungen, die in der DNA der Bakterien gespeichert sind. Diese Anweisungen werden auf eine molekulare Blaupause, die Boten-RNA, kopiert. Die Ribosomen nutzen dann diese Boten-RNA, um Cas12 zusammenzusetzen – Aminosäure für Aminosäure.
Unter der Leitung von Nicole Marino von der UCSF untersuchten die Wissenschaftler:innen – darunter HIRI-Direktor Jörg Vogel, sein Doktorand Leandro Buhlmann und Milan Gerovac, ein ehemaliger Postdoc aus Vogels Labor und inzwischen Leiter der Gruppe „Komplexe in Phageninfizierten Zellen“ am HZI – jeden einzelnen Schritt, um genau zu bestimmen, wann Cas12 fehlte. AcrVA2 blockierte weder das Cas12-Gen, was die Bildung der Cas12-mRNA verhindert hätte, noch zerstörte es die Boten-RNA in Reagenzgläsern. Die Wissenschaftler:innen untersuchten also, ob das Anti-CRISPR-Protein auf das Ribosom wirkt.
Sie fanden heraus, dass AcrVA2 die Ribosomen überwachte, während diese Proteine herstellten. Sobald AcrVA2 jedoch erkannte, dass die ersten Aminosäuren von Cas12 entstanden, heftete es sich an das entstehende Protein und brachte die Proteinsynthese zum Stillstand. „Dieses Anti-CRISPR-Protein verfügt über eine Struktur, mit der es an Ribosomen bindet, sowie über eine weitere Einheit, mit der es genau ein Protein auswählt: Cas12“, sagte Bondy-Denomy. „Es zwingt das Ribosom dazu, eine normale Botschaft wie eine fehlerhafte zu behandeln.“ Sobald das Ribosom blockiert war, zerstörten die Qualitätskontrollmechanismen der Bakterien sowohl das entstehende Cas12-Protein als auch dessen Boten-RNA-Bauplan.
Die Entdeckung ist einzigartig: Erstmals wurde ein Protein beschrieben, das die Herstellung eines anderen Proteins direkt am Ribosom unterbricht. Die Ergebnisse liefern neue Einblicke in den evolutionären Wettlauf zwischen Bakterien und ihren Viren.
