Natürliche Aufgaben von CRISPR-Cas

Natürliche Aufgaben von CRISPR-Cas

Wir Menschen kennen Bakterien oft als Krankheitserreger. Aber auch Bakterien können krank werden. Es gibt nämlich Viren, die sich auf die winzigen Mikroben spezialisiert haben. Diese sogenannten Phagen erinnern ein wenig an Raumsonden, die auf einem fernen Planeten andocken. Sie injizieren dabei ihr Erbgut in die Bakterienzelle, damit diese es vervielfältigen und so neue Phagen produziert. Für die Zelle ist dies meist tödlich. Bakterien haben daher wie andere Lebewesen auch ausgeklügelte Abwehrmaßnahmen gegen solche Ausbeuter entwickelt. Beispiele dafür sind die CRISPR-Cas-Systeme.

Abwehr mit Gedächtnis

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Befällt ein Virus eine Bakterienzelle werden Teile seines Erbguts in die CRISPR-Region (repeats) des Bakteriengenoms als sogenannte spacer eingebaut. Das davon abgelesene RNA-Molekül (pre-CRISPR-RNA) durchläuft mehrere Veränderungen, bevor es zusammen mit der tracr-RNA und dem Cas-Enzym aktiv werden kann. Bei einer erneuten Infektion mit dem Virus erkennt die CRISPR-RNA das Erbgut des Erregers wieder und führt das Enzym zu einer passenden Schnittstelle. Der Virus wird dadurch unschädlich gemacht.
Befällt ein Virus eine Bakterienzelle werden Teile seines Erbguts in die CRISPR-Region (repeats) des Bakteriengenoms als sogenannte spacer eingebaut. Das davon abgelesene RNA-Molekül (pre-CRISPR-RNA) durchläuft mehrere Veränderungen, bevor es zusammen mit der tracr-RNA und dem Cas-Enzym aktiv werden kann. Bei einer erneuten Infektion mit dem Virus erkennt die CRISPR-RNA das Erbgut des Erregers wieder und führt das Enzym zu einer passenden Schnittstelle. Der Virus wird dadurch unschädlich gemacht.

Mit den CRISPR-Cas-Systemen können sich die Zellen vor einer erneuten Infektion schützen, denn CRISPR-Cas verleiht der Infektionsabwehr der Bakterien eine Art Gedächtnis: Dockt ein Phage auf einer Bakterienzelle an und injiziert sein Erbgut, wird ein kurzer Abschnitt davon zwischen die CRISPR-Sequenzen der Bakterien-DNA eingebaut. Die variablen Abschnitte zwischen den CRISPR-Sequenzen („spacer“) sind also eine Art Bibliothek sämtlicher Erreger, mit der die Zelle konfrontiert war.

Diese Bibliothek kann das Bakterium auch an seine Nachkommen weitergeben. Manche Forscher sehen darin eine Bestätigung der lange von den meisten Wissenschaftlern abgelehnten Theorie des französischen Evolutionsforschers Jean-Baptiste de Lamarck aus dem 19. Jahrhundert. Demnach können im Laufe eines Lebens erworbene Merkmale vererbt werden.

Etwa die Hälfte aller heute bekannten Bakterien und fast alle Arten von Archaeen besitzen ein CRISPR-Cas-Abwehrsystem. Wie eine Zelle ihr System einsetzt, kann von Art zu Art unterschiedlich sein. Man kennt heute zwei CRISPR-Cas-Klassen, die sich in weitere Typen und Subtypen unterteilen lassen. Die Systeme der Klasse I enthalten aus vielen Molekülen bestehende Proteinkomplexe, während die der Klasse II jeweils nur ein Schneideprotein besitzen.

Allen ist gemeinsam, dass sie Teile fremder DNA in den CRISPR-Bereich einbauen und daraus RNA-Moleküle ablesen, die dann ein Enzym oder einen Enzymkomplex zum Ziel führen. Die RNA-Moleküle können an eine zu ihrer eigenen Sequenz passenden Stelle auf dem eingedrungenen Erbmaterial binden und so dem Cas-Enzym zeigen, wo es die fremde DNA zerschneiden soll. Das Viren-Erbgut wird dadurch unschädlich gemacht und die Infektion ist abgewehrt.

CRISPR-Cas9 ist eines der am einfachsten arbeitenden Systeme und daher sehr gut für die Anwendung in der Biotechnologie geeignet. Er benötigt mit der CRISPR- und tracrRNA nur zwei RNA-Moleküle sowie das Cas9-Protein, um fremde DNA gezielt zu zerschneiden. Die beiden RNA-Moleküle lassen sich im Labor sogar zu einem einzigen „guide-RNA“-Molekül fusionieren, was die Handhabung noch weiter vereinfacht. Außerdem funktioniert CRISPR-Cas9 nicht nur in Bakterien, sondern auch in Zellen mit Zellkern. Vom Fadenwurm bis zum Menschen – die neue Genschere kann dadurch überall aktiv werden.

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