Wohl kaum ein molekularbiologisches Verfahren hat in den letzten Jahren so viel Furore gemacht wie die Genschere CRISPR/Cas. Der Molekülkomplex, der ursprünglich Bakterien zur Erkennung und Abwehr von Viren diente, ist zu einem vielfältig einsetzbaren und wichtigen Werkzeug der Gentechnik, Medizin und Genetik geworden. Sie ermöglicht das einfache, kostengünstige und punktgenaue Herausschneiden und Ersetzen spezifischer DNA-Basen oder Gene. Möglich ist dies, weil der CRISPR/Cas-Komplex verschiedene Module enthält, die dem Auffinden und gezielten Schneiden von DNA dienen. CRISPR – kurz für Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats – umfasst dabei den Molekülteil, der der Identifikation dient. Er enthält unter anderem ein kurzes RNA-Stück, die Guide-RNA, die zur DNA-Sequenz des gesuchten DNA-Abschnitts komplementär ist. Findet das Molekül ein passendes Genstück, lagert es sich dort an und der Scherenteil des Moleküls kommt zum Einsatz. Bei der gängigsten Version CRISPR/Cas9 schneidet das Enzym Cas9 den “markierten” DNA-Teil heraus. Es gibt aber auch Versionen mit anderen Enzymen, die dann beispielsweise das gesuchte Gen nur durch Anhängen einer Methylgruppe stilllegen oder auf die RNA von Viren wie Sars-CoV-2 reagieren.
Cas12a2-Enzym knickt und zerstört DNA und RNA
Eine weitere Variante der CRISPR-Genschere haben nun Oleg Dmytrenko vom Helmholtzzentrum für Infektionsforschung in Würzburg und seine Kollegen entdeckt. Im Rahmen ihrer Studie hatten sie CRISPR/Cas-Enzyme aus der sogenannten Cas12a-Familie untersucht, die die Immunabwehr von Bakterien auf eine andere Art unterstützen als die bisher gängige Genschere. Werden diese Enzyme aktiv, wird die gesamte befallene Zelle stillgelegt oder abgetötet – und die virale Infektion so eingedämmt. “Diese abortive Infektion genannte Strategie wird von Bakterien und Archaeen eingesetzt, um die Verbreitung von Viren und anderen Pathogenen zu begrenzen”, erklärt Co-Autor Thomson Hallmark von der Utah State University. Bei der Erforschung dieser Strategie stieß das Team jedoch auf eine neue Variante der Cas12a-Enzyme, die sie Cas12a2 tauften. “Diese Nuklease tut etwas völlig anderes als Cas12a, aber auch als alle CRISPR-Nukleasen, die wir kennen”, sagt Dmytrenko.
Um dieses Enzym und seine Funktion genauer zu analysieren, schleusten die Forscher die Gene für ein CRISPR/Cas12a2-Konstrukt in das Bakterium Escherichia coli ein und beobachteten es in Aktion. Es zeigte sich: Anders als Cas9 bindet diese Genschere nicht an eine DNA-Sequenz als Ziel, sondern an zu seiner Guide-RNA passende RNA-Abschnitte. Sobald diese Anlagerung passiert ist, verändert das gesamte, zweilappig geformte Molekül seine Konformation. Wie eine Art Zange kann es nun zuklappen und beliebige Stränge von RNA oder DNA packen. Die “gefangenen” Stränge werden um 90 Grad gebogen, bis das Längsgerüst der Doppelhelix frei liegt und in eine Kerbe im Cas12a2-Enzym passt, wie Analysen mittels Kryoelektronenmikroskopie ergaben. “Das ist ein außergewöhnlicher Vorgang, allein schon die Beobachtung löste hörbare Überraschung bei meinen Kollegen aus”, berichtet Ryan Jackson von der Utah State University.
