Spektrum der Wissenschaft - Oktober 2017

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IMMUNISIERUNG IMMUNITÄT

Virus Bakterien-

zellwand

Cas/

RNA-Komplex

Der zelluläre Ablese-

apparat setzt die Spacer

in RNA-Moleküle um.

Diese leiten Cas-Proteine

(Endonukleasen) zu ein-

dringender DNA oder

RNA passender Sequenz

hin. Die Proteine zer-

schneiden dann das

fremde Erbgut.

Spacer-

Spacer- Sequenz

Sequenzen

sind oft Teile

aus dem Erbgut

eindringender Viren.

Sie werden von

Cas-Proteinen ins

Bakteriengenom

eingefügt.

palindromische

Wiederholung

(»Repeat«)

Leit-RNA

palindromische

Wiederholung

(»Repeat«)

Cas-Gene

bakterielles

Chromosom

Spacer

Spacer

CRISPR

Dauerhafter

Schutz

Etwa 90 Prozent der

bekannten Archaeen

und gut ein Drittel der

Bakterien besitzen

irgendeine Form von

CRISPR/Cas-System.

Es besteht oft aus ge-

häuft auftretenden,

kurzen DNA-Wieder-

holungssequenzen mit

Spacer-Sequenzen

dazwischen sowie aus

einigen Genen, die

für CRISPR-assoziierte

Proteine (Cas-Proteine)

kodieren.

NIK SPENCER/NATURE; LEDFORD, H.: CRISPR’S MYSTERIES. IN: NATURE 541, S. 280-282, 2017

haben eine Klasse von Transposons entdeckt, die für das
Protein Cas1 kodieren, welches am Einbau der Spacer ins
mikrobielle Genom mitwirkt. Diese »Casposons« stellen
vielleicht den Ursprung des CRISPR/Cas-Systems dar.

Wie funktioniert CRISPR/Cas?
Forscher wissen schon viel darüber, wie Cas-Proteine
die Spacer einfügen – doch längst nicht alles. So ist die
DNA von Viren chemisch beinahe identisch mit jener
der Wirtszelle. Woher wissen die Cas-Proteine, welches in
der Zelle herumschwimmende DNA-Stück sie in das
CRISPR/Cas- Gedächtnis einbauen sollen? Fügen sie einen
Abschnitt der zelleigenen DNA hinzu, wird sich die Ab-
wehrreaktion gegen die Wirtszelle selbst richten – eine
Auto immunreaktion mit poten ziell tödlichen Folgen.
Der Mikrobiologe Rodolphe Barrangou von der North
Carolina State University in Raleigh vermutet, dass sol-
che Fehler durchaus vorkommen, aber nicht die Gesamt-
population der Wirtszellen auslöschen. Ein paar tödliche
Versehen fallen wohl nicht ins Gewicht, wenn dafür ande-
re Zellen einen Virenangriff überstehen und anschließend
immunisiert sind.
Wenn Viren eine Bakterienpopulation befallen, erwirbt
oft nur eine von zehn Millionen Zellen einen Spacer, mit
dem sie sich anschließend erfolgreich verteidigen kann. Das
erschwert es, die Details des Vorgangs aufzuklären. Dabei
wäre es nützlich, mehr darüber zu erfahren und etwa dafür
zu sorgen, dass bestimmte Spacer häufiger eingefügt
werden. Forschungsarbeiten haben gezeigt: Zellen mit funk-
tionierendem CRISPR/Cas-System können DNA- und RNA-
Sequenzen speichern, mit denen sie in Kontakt kommen.

Hier eröffnet sich die Möglichkeit, zelluläre Automaten zu

konstruieren, die Umwelteinflüsse aufzeichnen.

Forscher wüssten auch gern, warum CRISPR-assozi ierte

Sequenzen häufig wieder aus dem Zellgenom verschwinden.

Die meisten Mikroorganismen, die über ein CRISPR/Cas-

System verfügen, besitzen nur wenige Dutzend Spacer –

manche sogar lediglich einen einzigen. Der krasse Gegen-

satz dazu ist Sulfolobus tokodaii, ein Vertreter der Archaeen,

dessen fünf CRISPR/Cas-Systeme rund ein Prozent seines

gesamten Genoms belegen und 458 Spacer enthalten.

Der Selektionsdruck, alte Spacer beizubehalten, dürfte

eher schwach sein. Wenn ein Virus mutiert, so dass die

Sequenz seines Erbguts nicht mehr mit derjenigen des

entsprechenden Spacers übereinstimmt, können sich die

potenziellen Wirtszellen nicht mehr vor dem Virus schüt-

zen. Der Spacer wird dann überflüssig und für die Zelle

zum genetischen Ballast.

Welche Funktionen könnte CRISPR/Cas noch haben?

Bei vielen Spacern ist rätselhaft, woher sie stammen.

Nicht einmal drei Prozent der bisher untersuchten stim-

men mit bekannten DNA-Sequenzen in Datenbanken

überein. Das könnte unserem begrenzten Wissen geschul-

det sein: Bislang haben Forscher vor allem solche Viren

analysiert, die Menschen, Nutztiere oder Nutzpflanzen

infizieren – kaum aber solche, die Bakterien oder gar

Archaeen befallen. Möglich erscheint auch, dass manche

Spacer die »Geister« längst nicht mehr existierender oder

bis zur Unkenntlichkeit mutierter infektiöser Partikel sind.

Besonders fasziniert die Forscher ein dritter Aspekt.

Wie sich herausgestellt hat, gibt es bakterielle CRISPR/