Eingebaute Haarnadelstruktur verhindert unerwünschte CRISPR-RNAs

Während die Genschere CRISPR-Cas als vielversprechendes Werkzeug der Genom-Editierung bereits seit Längerem intensiv erforscht wird, konzentrierten sich bisherige Studien primär auf die grundlegenden Wirkmechanismen und Nukleasen. Über die evolutionäre Entwicklung und Optimierung dieser Systeme war hingegen bislang nur wenig bekannt. Ein Forschungsteam des Würzburger Helmholtz-Instituts für RNA-basierte Infektionsforschung (HIRI) hat nun in Kooperation mit den Universitäten Leipzig, Freiburg und Michigan einen spezifischen Optimierungsmechanismus im CRISPR-Cas13-System untersucht. Diese Ergebnisse liefern wertvolle Rückschlüsse darauf, wie sich diese molekularen Systeme im Laufe der Zeit perfektioniert haben.

Das bakterielle Gedächtnis: Funktionsweise der CRISPR-Cas-Immunabwehr

Als einzige bekannte adaptive Immunabwehr in Bakterien besitzen CRISPR-Cas-Systeme die Fähigkeit, genetische Informationen von angreifenden Phagen – also Viren, die Bakterien befallen – zu speichern, um künftige Infektionen abzuwehren. Dieser Prozess erfolgt in sogenannten CRISPR-Arrays, bei denen DNA-Schnipsel der Angreifer als Archiv zwischen festen Sequenzwiederholungen in der Bakterien-DNA hinterlegt werden. Jeder dieser archivierten Abschnitte führt zur Bildung einer CRISPR-Ribonukleinsäure (kurz crRNA), die das System bei einer erneuten Infektion gezielt dazu anleitet, denselben Eindringling wiederzuerkennen und unschädlich zu machen.

Effizienzsteigerung in der Genschere: Wie CRISPR-Cas13 Störsignale unterdrückt

Der zugrunde liegende Mechanismus der CRISPR-Systeme ist hochkomplex und beruht auf dem Zusammenspiel mehrerer Komponenten, die sich gegenseitig beeinflussen. Da ein CRISPR-Array für die korrekte Verarbeitung zwingend mit einer Wiederholungssequenz beginnen und enden muss, entsteht zwangsläufig eine zusätzliche Sequenz ohne passenden „Virenschnipsel“. Diese wird ebenfalls in eine CRISPR-RNA umgesetzt, besitzt jedoch keine Zielsequenz. „Die daraus resultierende CRISPR-RNA, bekannt als ecrRNA (von engl. extraneous CRISPR RNA), ist im besten Fall überflüssig. Schlimmstenfalls lenkt sie die CRISPR-Maschinerien ab und hindert sie daran, nach infizierenden Viren zu suchen“, sagt Chase Beisel.

Dass die Natur hierfür Lösungen bereithält, zeigte Beisel bereits 2022: Bei CRISPR-Cas9-Systemen verhindert eine zusätzliche RNA stromaufwärts der problematischen Sequenz die Bildung dieser ecrRNAs. „Die RNA bindet sich an die erste Wiederholung und sorgt dafür, dass diese nicht von der CRISPR-Maschinerie erkannt wird“, erklärt Beisel. Ob jedoch auch andere Systeme diesen Mechanismus nutzen, blieb lange ungeklärt. Daher untersuchten Forschende des Würzburger Helmholtz-Instituts für RNA-basierte Infektionsforschung (HIRI) in Kooperation mit den Universitäten Leipzig, Freiburg und Michigan, ob die strukturell gänzlich anderen CRISPR-Cas13-Systeme ebenfalls ecrRNAs produzieren und mit welchen Strategien sie diesen potenziellen Störfaktoren entgegenwirken.

Konvergente Evolution: CRISPR-Systeme nutzen ähnliche Schutzstrategien

Ein Forschungsteam konnte belegen, dass zahlreiche CRISPR-Cas13-Systeme die Entstehung störender ecrRNAs ebenfalls mithilfe von RNA-Strukturen unterbinden. Dabei bildet die schützende RNA in der ersten Sequenzwiederholung eine stabile Haarnadelstruktur, welche die Bindung und Verarbeitung durch die Cas13-Nuklease blockiert. „Wir konnten herausfinden, dass viele CRISPR-Cas13-Systeme ebenfalls über RNA verhindern, dass sich ecrRNAs bilden“, sagt Angela Migur. „Das Auftreten der ‚Haarnadel‘ war unerwartet, da sich CRISPR-Cas9- und CRISPR-Cas13-Systeme unabhängig voneinander entwickelt haben und sehr unterschiedlich funktionieren“, fügt Migur hinzu. „Überraschenderweise waren die Mechanismen, die die ecrRNA-Bildung verhinderten, allerdings sehr ähnlich.“

Diese Erkenntnisse deuten auf eine bemerkenswerte konvergente Evolution hin, bei der unterschiedliche CRISPR-Cas-Systeme eigenständig vergleichbare Lösungen für Herausforderungen in der Immunabwehr gefunden haben. Das Team stellte jedoch auch fest, dass nicht alle Systeme diese spezielle RNA nutzen. Maßgeblich dafür war die Position der zusätzlichen Wiederholung am Anfang oder Ende des CRISPR-Arrays. Diese Entdeckung legt nahe, dass es noch weitere, bislang unbekannte Strategien gibt, welche die Effizienz von CRISPR-Cas-Systemen optimieren.

Präzisions-Tuning für Cas13: Neue Wege zur Optimierung der Geneditierung

Cas13-Nukleasen dienen heute als etablierte Forschungswerkzeuge für die temporäre Geneditierung auf RNA-Ebene. Die aktuellen Erkenntnisse des Forschungsteams könnten die Nutzbarkeit dieser Systeme maßgeblich steigern, indem sie die exklusive Bildung der beabsichtigten CRISPR-RNAs sicherstellen. Gleichzeitig eröffnet sich die Chance, die virale Abwehr durch ecrRNAs gezielt zu hemmen, was eine präzisere Kontrolle des genetischen Werkzeugs ermöglicht. Während sich die bisherige Forschung stark auf die grundlegenden Mechanismen der adaptiven Immunität und die Eigenschaften der Nukleasen konzentriert hat, blieb die optimale Feinabstimmung der einzelnen Komponenten weitgehend ungeklärt.

Diese Arbeit identifiziert nun eine Schwachstelle im Prinzip der CRISPR-Arrays, die sich durch eine einfache Haarnadel-RNA korrigieren lässt. „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“, so Chase Beisel. Die Studie zur Strukturbiologie entstand in enger Kooperation zwischen dem European XFEL, den Universitäten Extremadura, Sevilla und Hamburg, der Arizona State University sowie dem DESY.

Quelle

Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (04/2026)