Die Genschere CRISPR-Cas gilt als Revolution der Molekularbiologie – doch selbst dieses hochpräzise Werkzeug hat Schwachstellen, die es zu überwinden gilt. Ein internationales Forschungsteam unter Federführung des Helmholtz-Instituts für RNA-basierte Infektionsforschung (HIRI) in Würzburg hat nun einen Mechanismus entschlüsselt, mit dem sich CRISPR-Cas13-Systeme selbst optimieren: Eine winzige RNA-Struktur in Form einer Haarnadel verhindert, dass überflüssige und potenziell störende Moleküle entstehen. Die Ergebnisse, veröffentlicht im Fachmagazin EMBO Journal, werfen ein neues Licht auf die evolutionäre Feinabstimmung bakterieller Immunsysteme.
CRISPR-Cas-Systeme funktionieren als eine Art molekulares Gedächtnis von Bakterien. Wird eine Zelle von einem Virus – einem sogenannten Phagen – attackiert, speichert sie ein kurzes DNA-Fragment des Angreifers in ihrem Erbgut ab, eingebettet zwischen festen Sequenzwiederholungen. Aus diesen Archiven entstehen CRISPR-RNAs, die bei einer erneuten Infektion als Erkennungssonden dienen und das Abwehrsystem gezielt auf den Eindringling lenken. Das Prinzip klingt elegant, birgt aber ein konstruktionsbedingtes Problem: Damit ein solches Archiv korrekt funktioniert, muss es an beiden Enden mit einer Wiederholungssequenz abschließen. An einem Ende steht dadurch zwangsläufig eine Wiederholung ohne zugehöriges Virusfragment – und auch sie wird in eine RNA umgeschrieben.
Diese überschüssige RNA, in der Fachsprache als ecrRNA bezeichnet, besitzt keine passende Zielsequenz und ist damit funktionslos. Schlimmer noch: Sie kann die molekulare Maschinerie blockieren und von der eigentlichen Virenabwehr ablenken. „Die daraus resultierende CRISPR-RNA, bekannt als ecrRNA, ist im besten Fall überflüssig. Schlimmstenfalls lenkt sie die CRISPR-Maschinerien ab und hindert sie daran, nach infizierenden Viren zu suchen“, erläutert Chase Beisel, der die Studie initiiert hat. Beisel ist affiliierter Abteilungsleiter am HIRI und Fakultätsmitglied am Botnar Institute of Immune Engineering im schweizerischen Basel.
Bereits 2022 hatte ein Team unter Beisels Beteiligung in einer Studie im Fachjournal Nature Microbiology nachgewiesen, dass CRISPR-Cas9-Systeme dieses Problem lösen können: Eine zusätzliche RNA bindet sich an die erste Wiederholung und macht sie für die Verarbeitungsmaschinerie unsichtbar. Ob auch andere, grundlegend anders aufgebaute CRISPR-Varianten einen vergleichbaren Schutzmechanismus besitzen, blieb jedoch lange offen. Genau diese Frage haben die Forschenden nun für CRISPR-Cas13-Systeme beantwortet – in Zusammenarbeit mit den Universitäten Leipzig, Freiburg und der University of Michigan in den USA.
Das Ergebnis überraschte selbst die Beteiligten. „Wir konnten herausfinden, dass viele CRISPR-Cas13-Systeme ebenfalls über RNA verhindern, dass sich ecrRNAs bilden“, berichtet Angela Migur, ehemalige Postdoktorandin in Beisels Labor und Erstautorin der Studie. Die schützende RNA faltet sich in der ersten Wiederholungssequenz zu einer stabilen Haarnadelstruktur zusammen. Diese Faltung blockiert die Cas13-Nuklease physisch und verhindert so, dass die überflüssige ecrRNA überhaupt entsteht. Bemerkenswert daran ist, dass sich CRISPR-Cas9 und CRISPR-Cas13 unabhängig voneinander entwickelt haben und auf sehr unterschiedliche Weise arbeiten. „Das Auftreten der ‚Haarnadel‘ war unerwartet, da sich CRISPR-Cas9- und CRISPR-Cas13-Systeme unabhängig voneinander entwickelt haben und sehr unterschiedlich funktionieren“, betont Migur. „Überraschenderweise waren die Mechanismen, die die ecrRNA-Bildung verhinderten, allerdings sehr ähnlich.“
Diese Parallele deutet auf einen Fall konvergenter Evolution hin – ein Phänomen, bei dem verschiedene biologische Systeme unabhängig voneinander zu vergleichbaren Lösungen für dasselbe Problem gelangen. Gleichzeitig stellte das Team fest, dass nicht alle CRISPR-Cas-Systeme auf diesen Haarnadelschutz zurückgreifen. Entscheidend war, ob die zusätzliche Wiederholung am Anfang oder am Ende des CRISPR-Arrays auftrat. Das legt nahe, dass in der Natur noch weitere, bislang unbekannte Optimierungsstrategien existieren.
Für die praktische Anwendung eröffnen die Erkenntnisse konkrete Perspektiven. Cas13-Nukleasen werden bereits heute als Forschungswerkzeuge und für nicht permanente Eingriffe auf RNA-Ebene genutzt. Ein besseres Verständnis der Haarnadelstruktur könnte dazu beitragen, diese Systeme präziser zu steuern und sicherzustellen, dass ausschließlich die gewünschten CRISPR-RNAs gebildet werden. Umgekehrt ließe sich die virale Abwehr durch gezielte Nutzung von ecrRNAs auch absichtlich hemmen – ein Ansatz, der neue Möglichkeiten zur Kontrolle des genetischen Werkzeugs schaffen könnte.
Beisel blickt über die eigene Studie hinaus und formuliert einen Appell an die Forschungsgemeinschaft: „Wir hoffen, dass unsere Arbeit die Forschungsgemeinschaft dazu anregt, die Einschränkungen von CRISPR-Cas-Systemen und anderen bakteriellen Abwehrmechanismen intensiver zu untersuchen. Zugleich gilt es zu klären, welche Strategien diese Systeme entwickelt haben, um solche Hürden möglichst effektiv zu überwinden.“ Die Studie wurde unter anderem durch das Schwerpunktprogramm SPP 2141 der Deutschen Forschungsgemeinschaft, einen Consolidator Grant des Europäischen Forschungsrats sowie Fördermittel der US-amerikanischen National Institutes of Health und der National Science Foundation finanziert.
