Neuer Algorithmus findet viele geneditierende Enzyme in der DNA der Umwelt

CRISPR – gehäufte, regelmäßig angeordnete kurze palindromische Wiederholungen – ist die Antwort der mikrobiellen Welt auf adaptive Immunität. Bakterien erzeugen keine Antikörper, wenn sie von Krankheitserregern befallen werden, und blockieren diese Antikörper dann, wenn sie erneut auf denselben Krankheitserreger stoßen, wie es bei uns der Fall ist. Stattdessen integrieren sie einen Teil der DNA des Erregers in ihr Genom und binden sie an ein Enzym, mit dem sie die DNA-Sequenz des Erregers erkennen und bei einem erneuten Auftreten des Erregers in Stücke schneiden können.

Das Enzym, das das Schneiden durchführt, heißt Cas, nach CRISPR. Obwohl sich das CRISPR-Cas-System als bakterieller Abwehrmechanismus entwickelte, wurde es von Forschern als leistungsstarkes Werkzeug zur Genmanipulation in Laborstudien genutzt und angepasst. Es hat sich auch in der Landwirtschaft bewährt und die erste CRISPR-basierte Behandlung wurde im Vereinigten Königreich zur Behandlung von Sichelzellenanämie und transfusionsabhängiger Beta-Thalassämie zugelassen.

Jetzt haben Forscher eine neue Methode entwickelt, um Genome nach CRISPR-Cas-ähnlichen Systemen zu durchsuchen. Sie haben herausgefunden, dass uns möglicherweise viele zusätzliche Tools zur Verfügung stehen, mit denen wir arbeiten können.

DNA-Modifikation

Bisher wurden sechs Arten von CRISPR-Cas-Systemen in verschiedenen Mikroben identifiziert. Obwohl sie sich im Detail unterscheiden, haben sie alle den gleichen Reiz: Sie liefern Proteine ​​an eine bestimmte Sequenz des genetischen Materials mit einem Grad an Spezifität, der bisher technisch schwierig, teuer und zeitaufwändig zu erreichen war. Jede im System interessante DNA-Sequenz kann programmiert und gezielt eingesetzt werden.

Native Systeme in Mikroben bringen typischerweise eine Exonuklease – ein Enzym, das DNA spaltet – in die Sequenz ein und zerhacken so das genetische Material von Krankheitserregern. Diese Fähigkeit kann genutzt werden, um jede beliebige DNA-Sequenz für die Genbearbeitung zu schneiden; In Kombination mit Enzymen und/oder anderen DNA-Sequenzen können damit zusätzliche kurze Sequenzen eingefügt oder gelöscht und mutierte Gene korrigiert werden. Einige CRISPR-Cas-Systeme schneiden spezifische RNA-Moleküle anstelle von DNA. Sie können verwendet werden, um krankheitsverursachende RNA, wie zum Beispiel das Genom einiger Viren, auf die gleiche Weise zu eliminieren, wie sie bei einheimischen Bakterien eliminiert werden. Dies kann auch zur Behebung von Defekten in der RNA-Verarbeitung genutzt werden.

Aber es gibt viele weitere Möglichkeiten, Nukleinsäuren zu modifizieren, die nützlich sein können. Es ist eine offene Frage, ob sich Enzyme entwickelt haben, die zusätzliche Modifikationen vornehmen. Deshalb beschlossen einige Forscher, nach ihnen zu suchen.

Forscher am MIT haben ein neues Tool zur Erkennung verschiedener CRISPR-Arrays entwickelt und es auf 8,8 Tera (1.012) Basenpaare prokaryotischer Genominformationen angewendet. Viele der von ihnen gefundenen Systeme sind selten und tauchten erst in den letzten 10 Jahren im Datensatz auf, was unterstreicht, wie wichtig es ist, diesen Datenbeständen weiterhin bisher schwer zu beschaffende Umweltproben hinzuzufügen.

Das neue Tool wurde benötigt, weil die Datenbanken mit Protein- und Nukleinsäuresequenzen rasant wachsen und die Techniken zur Analyse all dieser Daten daher Schritt halten müssen. Einige der zu ihrer Analyse verwendeten Algorithmen versuchen, jede Sequenz mit jeder anderen Sequenz zu vergleichen, was bei Milliarden von Genen eindeutig unhaltbar ist. Andere verlassen sich auf Clustering, finden aber nur Gene, die sehr ähnlich sind, sodass sie keinen Aufschluss über evolutionäre Beziehungen zwischen entfernt verwandten Proteinen geben können. Aber schnelles, ortsabhängiges Hashtag-basiertes Clustering („Flash-Assembly“) funktioniert, indem Milliarden von Proteinen in kleinere und größere Sequenzsätze gruppiert werden, die sich nur geringfügig unterscheiden, um neue und seltene Verwandte zu identifizieren.

Bei einer Suche mit FLSHclust wurden 188 neue CRISPR-Cas-Systeme erfolgreich extrahiert.

Viel Knusprigkeit

Aus der Arbeit gingen einige Themen hervor. Einer davon ist, dass einige der neu identifizierten CRISPR-Systeme Cas-Enzyme mit Domänen verwenden, die noch nie zuvor gesehen wurden, oder dass es sich offenbar um Fusionen mit bekannten Genen handelt. Die Wissenschaftler charakterisierten auch einige dieser Enzyme und stellten fest, dass eines spezifischer ist als die derzeit verwendeten CRISPR-Enzyme und ein anderes RNA-Schnitt, das ihrer Meinung nach strukturell deutlich genug ist, um ein völlig neues CRISPR-Cas-System vom Typ 7 aufzunehmen.

Eine Folge dieses Themas ist die Verknüpfung von Enzymen mit unterschiedlichen Funktionen, nicht nur von Nukleasen (Enzyme, die DNA und RNA schneiden), mit CRISPR-Arrays. Wissenschaftler haben die bemerkenswerte Fähigkeit von CRISPR ausgenutzt, auf Gene abzuzielen, indem sie es an andere Arten von Enzymen und Molekülen, wie zum Beispiel fluoreszierende Farbstoffe, anknüpfen. Aber offenbar war die Evolution zuerst da.

Beispielsweise identifizierte FLSHclust eine sogenannte Transposase, die mit zwei verschiedenen Arten von CRISPR-Systemen assoziiert ist. Transposase ist ein Enzym, das dabei hilft, einen bestimmten Teil der DNA in einen anderen Teil des Genoms zu übertragen. CRISPR-RNA-gesteuerte Transformation wurde schon früher beobachtet, aber dies ist ein weiteres Beispiel dafür. Es wurde eine ganze Reihe von Proteinen mit unterschiedlichen Funktionen gefunden, beispielsweise Proteine ​​mit Transmembrandomänen und Signalmolekülen, die mit CRISPR-Arrays assoziiert sind, was den Mix-and-Match-Charakter der Entwicklung dieser Systeme unterstreicht. Sie fanden sogar ein von einem Virus exprimiertes Protein, das an CRISPR-Arrays bindet und diese inaktiv macht, wobei das Virus im Wesentlichen das CRISPR-System deaktiviert, das zum Schutz vor Viren entwickelt wurde.

Die Forscher fanden nicht nur neue Proteine, die mit CRISPR-Arrays assoziiert sind, sondern auch andere regelmäßig beabstandete Wiederholungsarrays, die mit keinem Cas-Enzym assoziiert waren, ähnlich wie CRISPR, aber nicht CRISPR. Sie sind sich der Funktion dieser RNA-gesteuerten Systeme nicht sicher, spekulieren aber, dass sie ebenso wie CRISPR an der Abwehr beteiligt sind.

Die Autoren machten sich daran, „eine Liste RNA-gesteuerter Proteine ​​zu finden, die unser Verständnis der Biologie und Evolution dieser Systeme erweitert und einen Ausgangspunkt für die Entwicklung neuer Biotechnologien bietet.“ Und sie scheinen ihr Ziel erreicht zu haben: „Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen eine beispiellose regulatorische und funktionale Flexibilität und Modularität von CRISPR-Systemen“, schreiben sie. Sie kommen zu dem Schluss: „Dies stellt nur einen kleinen Bruchteil der entdeckten Systeme dar, aber.“ Es unterstreicht das Ausmaß des ungenutzten Potenzials der Artenvielfalt der Erde.“ Die verbleibenden Kandidaten werden als Ressource für zukünftige Erkundungen dienen.

Artikel DOI: 10.1126/science.adi1910