Neuer CRISPR-Mechanismus zielt auf tRNAs ab

Forschende haben eine neue Nuklease des CRISPR-Cas-Systems entdeckt, die an tRNAs bindet. Das gezielte Abschalten der Proteinsynthese war als Mechanismus der Genschere bislang unbekannt – und eröffnet eine Vielzahl neuer Möglichkeiten.

Das CRISPR-Cas-System, auch bekannt als Genschere, stand bisher nicht mit dem Spalten von Transfer-Ribonukleinsäuren (tRNA) in Verbindung. RNA-gesteuerte Proteine, sogenannte Cas-Nukleasen, erkennen Eindringlinge anhand ihres Erbguts und machen diese durch das Schneiden bestimmter DNA-Sequenzen gezielt unschädlich.

Die Forschung hat sich diese Mechanismen bereits auf vielfältige Weise zunutze gemacht und in CRISPR eine wichtige Grundlage für Technologien zur Genom-Editierung erkannt. Weltweit wird daran geforscht, die klassische Genschere zu optimieren, beispielsweise durch effizienteres oder noch präziseres Schneiden von Zielsequenzen. Dass CRISPR-Cas im Rahmen einer Immunantwort auch bevorzugt auf tRNAs abzielt, war allerdings nicht bekannt – bis jetzt.

Eine unerwartete Entdeckung

Die tRNAs spielen eine grundlegende Rolle bei der Translation von mRNA in Proteine. Sie zu deaktivieren, schränkt die Proteinproduktion ein und führt dazu, dass die infizierte Zelle in einen Ruhezustand übergeht. In der Folge kann sich der Angreifer nicht weiter vermehren und in der Bakterienpopulation ausbreiten. Forschende am Helmholtz-Institut für RNA-basierte Infektionsforschung (HIRI), einem Standort des Braunschweiger Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung (HZI) in Kooperation mit der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU), haben gemeinsam mit Forschenden des HZI und der Utah State University (USU) einen neuartigen CRISPR-Mechanismus entdeckt, der auf eben diese tRNAs abzielt.

„Dieser Fund war gänzlich unerwartet“, sagt Chase Beisel, affiliierter Abteilungsleiter am HIRI und korrespondierender Autor der neuen Nature-Studie. Eigentlich hatte sich das Team mit der Nuklease Cas12a2 befasst. Dieses Enzym ist Mitglied einer Familie von Nukleasen, die ausschließlich DNA schneiden, ist selbst jedoch in der Lage, sowohl RNA als auch DNA weitläufig abzubauen.

„Wir stellten die Hypothese auf, dass in dieser Proteinfamilie weitere besondere Funktionen verborgen sein könnten. Und wir hatten Recht: So konnten wir Cas12a3 mit seinen einzigartigen Eigenschaften entdecken“, ergänzt Oleg Dmytrenko, ehemaliger Postdoc im Beisel-Labor und Erstautor der jüngst in Nature erschienenen Studie.

Das komplette Gegenteil

Zwar verwendet Cas12a3 wie Cas12a2 ebenfalls RNA, um fremde RNA-Sequenzen ausfindig zu machen. Eine Übereinstimmung führt jedoch dazu, dass Cas12a3 seine Form ändert, sich speziell an eine Schwanzregion der tRNA bindet und sie schneidet. „Diese Genauigkeit macht Cas12a3 zu einem exakten Gegenstück seiner nächsten Verwandten Cas12a2, die eher unspezifisch, aber dafür umfassend schneidet“, sagt Ryan Jackson, Professor an der USU und ebenfalls korrespondierender Autor der Studie.

Beim 3‘-Schwanz handelt es sich um den am besten konservierten Teil aller tRNAs. Denn: Diese Region ist entscheidend für die Funktion und Stabilität der RNA und hat sich deswegen evolutionär kaum verändert. An ihr ist eine aktivierte Aminosäure gebunden. Während der Translation werden Aminosäuren von der tRNA auf eine wachsende Polypeptidkette übertragen. Daher ist das Entfernen des tRNA-Schwanzes ein wirksames Mittel, um die Herstellung von Proteinen, zu blockieren.

Neues Potenzial für CRISPR-basierte Diagnostik

Die Struktur von Cas12a3, die das Team mithilfe von Kryo-Elektronenmikroskopie am HZI beleuchten konnte, zeigt, wie die Nuklease tRNAs erkennt: „Wir konnten einen einzigartigen Teil identifizieren, den wir ‚tRNA-Ladedomäne‘ getauft haben“, erklärt Dirk Heinz, Abteilungsleiter am HZI und weiterer korrespondierender Autor. „Seine Aufgabe besteht darin, den 3′-Schwanz der tRNA präzise so zu positionieren, dass er sich an der richtigen Stelle für die Spaltung befindet“, ergänzt Biao Yuan, Postdoc im Heinz-Labor und ebenfalls Erstautor des Artikels.

Die hohe Präzision konnten die Forschenden sich direkt zunutze machen: Sie kombinierten Cas12a3 mit zwei weiteren Nukleasen, die ebenfalls zielgenau schneiden, sich jedoch auf andere spezifische RNAs konzentrieren. Mithilfe dieser Kombination war es dem Team möglich, gleichzeitig RNAs von drei verschiedenen Viren – dem Influenzavirus, dem Respiratorischen Syncytial-Virus (RSV) und SARS-CoV-2 – nachzuweisen. „Damit waren wir nicht nur in der Lage, die Grenzen der CRISPR-basierten Diagnostik zu verschieben. Unsere Forschungsergebnisse könnten perspektivisch auch kostengünstige und einfach durchzuführende Point-of-Care-Tests gegen eine Vielzahl von Krankheiten ermöglichen“, sagt Beisel.

Verborgene Vielfalt

Das Spalten von tRNA-Schwänzen stellt eine neue CRISPR-Immunantwort dar und zeugt damit von den vielfältigen Möglichkeiten, mit denen Bakterien Infektionen abwehren können. Die Arbeit rückt somit die enorme funktionelle Vielfalt in den Fokus, die in bereits bekannten bakteriellen Abwehrmechanismen verborgen ist und die es zu untersuchen gilt.

Seine nächsten Schritte hat das Forschungsteam schon geplant: „In der Hoffnung, weitere Variationen zu entdecken, wollen wir diesen winzigen Ausschnitt der CRISPR-Abwehrmechanismen noch tiefergehend erforschen“, blickt Heinz voraus. „Darüber hinaus planen wir, Cas12a3 als Technologie für die molekulare Diagnostik und andere Anwendungen nutzbar zu machen“, schließt Jackson. (mkl/BIERMANN)