Genschere schaltet sich mit eingebauten Timer ab
Bonner Forschende klären Selbstregulierung der Immunantwort im Bakterien-Abwehrsystem CRISPR auf
Bonn, 22. August – CRISPR Genscheren, als neue Werkzeuge der Molekularbiologie, haben ihren Ursprung in einem uralten, bakteriellen Immunsystem. Doch wenn ein Virusangriff erfolgreich überstanden ist, muss sich die Zelle erholen. Forschende des Universitätsklinikums Bonn (UKB) und der Universität Bonn haben in Kooperation mit Forschenden des Institut Pasteur in Frankreich einen in die Genschere integrierten Zeitschalter entdeckt, mit dem sich die Genschere selbst ausschalten kann. Die Studienergebnisse sind in der renommierten Fachzeitschrift „Nucleic Acids Research“ publiziert.
Einige Bakterien haben als Antwort auf Angriffe so genannter Phagen die CRISPR-Genschere entwickelt. Dieses bakterielle Immunsystem erkennt die Phagen-Erbsubstanz, zerstört diese und schützt so vor Angriffe der Viren. Die Typ-III-Varianten dieser Immunsysteme stellen beim Aufspüren von Phagen mit zyklischen Oligoadenylaten (cOAs) Botenstoffe her, mit deren Hilfe die Bakterien einen komplexen Notfallplan anschalten. Dieser sorgt dafür, dass ein Virus optimal und auf breiter Front bekämpft werden kann. Ein Forschungsteam um PD Dr Gregor Hagelueken vom Institut für Strukturbiologie am UKB, der Mitglied in dem Transdisziplinären Forschungsbereich (TRA) „Life & Health“ sowie im Exzellenzcluster ImmunoSensation2 der Universität Bonn ist, entdeckte, dass der von der Genschere hergestellte Botenstoff cA4 an ein Protein namens CalpL bindet. Die so aktivierte Proteinschere löst eine Signalkaskade aus, die der Zelle dabei hilft den viralen Angriff zu überstehen.
Die Bonner Forschenden hatten damit einen ganz neuen Aspekt der CRISPR-Systeme aufgedeckt, die sich sehr gut für biotechnologische und medizinische Zwecke umprogrammieren lassen. „Diese von uns entdeckte CRISPR-aktivierte Proteinschere ist ein nagelneues Werkzeug im Baukasten der Molekularbiologie“, sagt Niels Schneberger, Doktorand der Universität Bonn am Institut für Strukturbiologie am UKB, der an der Entdeckung des CalpL Proteins maßgeblich beteiligt war.
Zelluläre Erholung durch Begrenzung der antiviralen Reaktion
„Nach einem viralen Angriff ist es aber entscheidend, die verbleibenden zyklischen Oligoadenylate zu eliminieren, um die antivirale Reaktion zu beenden und die Zelle in ihren normalen Zustand zurückzuführen“, sagt Sophie Binder, die sich mit Schneberger die Erstautorenschaft der Studie teilt und ebenfalls Doktorandin der Universität Bonn am Institut für Strukturbiologie des UKB ist. Die Bonner Forschenden konnten nun in Kooperation mit Forschenden des Institut Pasteur in Paris und des Kekulé Instituts für Organische Chemie und Biochemie der Universität Bonn zeigen, dass die sogenannte SAVED-Domäne der CalpL-Protease eine Ring-Nuklease-Aktivität besitzt, die cA4 spaltet. „Das Protein beinhaltet also so etwas wie einen molekularen Timer, der die Immunreaktion abschaltet. Durch den Abbau von cA4 in lineare Bruchstücke wird die Dauer der Immunantwort reguliert, was eine kontrollierte Rückkehr der Zelle zu normalen Bedingungen ermöglicht“, sagt Binder.
Eine schaltbare Protease wie CalpL ist auch für biotechnologische Anwendungen von großem Interesse. Sie könnte zum Beispiel als molekularer Sensor eingesetzt werden. „Allerdings ist die von uns jetzt neu entdeckte Ring-Nuklease-Aktivität für solche Zwecke eher hinderlich“, sagt PD Dr. Hagelueken. „In unserer Studie konnten wir aber auch zeigen, wie man die Ring-Nuklease-Aktivität gezielt hemmen kann, so dass sich der Sensor nicht von selbst wieder abschaltet.“
Förderung und beteiligte Institutionen:
Das Projekt wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und den Open Access Publication Fund der Universität Bonn gefördert. Neben dem Institut für Strukturbiologie am UKB sind das Kekulé Institut für Organische Chemie und Biochemie der Universität Bonn und das Institut Pasteur, Paris, Frankreich an der Studie beteiligt.
Publikation: Sophie C. Binder, Niels Schneberger, Marianne Engeser, Matthias Geyer, Christophe Rouillon, Gregor Hagelueken: The SAVED domain of the type III CRISPR protease CalpL is a ring nuclease; Nucleic Acids Research,
DOI: https://doi.org/10.1093/nar/gkae676/7737999
Link zur Publikation: https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkae676/7737999
Wissenschaftlicher Kontakt:
PD Dr. Gregor Hagelueken
Institut für Strukturbiologie
Universitätsklinikum Bonn
ImmunoSensation2 &TRA „Life & Health“, Universität Bonn
Telefon: +49 228 287-51200
E-Mail: hagelueken@uni-bonn.de
Bildmaterial:
Bildunterschrift: Genschere schaltet sich mit eingebauten Timer ab:
(v. li.) PD Dr Gregor Hagelueken, Sophie Binder und Niels Schneberger klären Selbstregulierung der Immunantwort im Bakterien-Abwehrsystem CRISPR auf.
Bildnachweis: Universitätsklinikum Bonn (UKB) / Rolf Müller
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Zum Universitätsklinikum Bonn: Im UKB finden pro Jahr etwa 500.000 Behandlungen von Patient*innen statt, es sind ca. 9.500 Mitarbeiter*innen beschäftigt und die Bilanzsumme beträgt 1,8 Mrd. Euro. Neben den 3.500 Medizin- und Zahnmedizin-Studierenden werden pro Jahr 550 Personen in zahlreichen Gesundheitsberufen ausgebildet. Das UKB steht in der Focus-Klinikliste auf Platz 1 unter den Universitätsklinika (UK) in NRW, hatte in 2023 in der Forschung über 100 Mio. Drittmittel und weist den zweithöchsten Case Mix Index (Fallschweregrad) in Deutschland auf. Das F.A.Z.-Institut hat das UKB mit Platz 1 unter den Uniklinika in der Kategorie „Deutschlands Ausbildungs-Champions 2024“ ausgezeichnet.
English Version: Gene scissors switch off with built-in timer. Bonn researchers clarify self-regulation of the immune response in the CRISPR bacterial defense system (PDF-Download)
