Neuer bakterieller Abwehrmechanismus von CRISPR-Cas-Systemen entdeckt

Forschende unter der Leitung von UZH-Professor Martin Jinek haben einen neuen Abwehrmechanismus entdeckt, mit dem sich Bakterien gegen eindringende Viren verteidigen. Wird ihr Immunsystem sehr stark beansprucht, produziert das CRISPR-Cas-System ein chemisches Signal, das ein weiteres Enzym aktiviert. Dieses hilft, das genetische Material des Angreifers zu zerstören – sehr ähnlich wie das angeborene Immunsystem des Menschen Viren bekämpft.

Die Illustration zeigt ein Virus, das eine Bakterienzelle befällt.
Die Illustration zeigt ein Virus, das eine Bakterienzelle befällt.
Wenn ein Virus eine Bakterienzelle infiziert, führt das CRISPR-Cas-System zu einer Abwehrreaktion. (Bild: arinarici / iStock)

CRISPR-Cas ist ein Immunsystem, über das zahlreiche Bakterienarten verfügen. Es schützt die Einzeller gegenüber Viren und molekularen Parasiten und verhindert, dass die Eindringlinge die Kontrolle über das bakterielle Genom übernehmen. Verantwortlich für die Immunabwehr ist eine komplexe molekulare Multi-Protein-Maschinerie, die mit Hilfe von RNA-Molekülen den Angreifer erkennt und gezielt abwehrt. Bekannt ist, dass der Proteinkomplex über eine eigene Nuklease-Aktivität verfügt, d.h. er kann DNA oder RNA von Viren direkt abbauen. Nun hat ein von UZH-Professor Martin Jinek geleitetes, internationales Forschungsteam einen völlig neuen bakteriellen Abwehrmechanismus entdeckt.

Signalmolekül aktiviert zusätzliches antivirales Enzym

Die Zielerkennung von CRISPR-Cas-Systemen funktioniert mit Hilfe von RNA-Molekülen, die von Abschnitten sich wiederholender DNA-Sequenzen im Erbgut von Bakterien abstammen (engl. clustered regularly interspaced short palindromic repeats, CRISPR) sowie den CRISPR-assoziierten Proteinen (Cas). Während das Genmaterial von Eindringlingen mittels der CRISPR-RNA identifiziert wird, zerschneiden die Cas-Eiweisse die Virus-DNA wie molekulare Scheren. In einem bestimmten CRISPR-Cas-System (bekannt als Typ III) machten die Forschenden eine überraschende Entdeckung. Sobald die Maschinerie das Virus erkennt, produziert es einen bislang unbekannten Botenstoff: ein kleines, zirkuläres RNA-Molekül. Dieses Signalmolekül verteilt sich in der Bakterienzelle und aktiviert ein weiteres RNA-abbauendes Enzym namens Csm6, das die Virusabwehr unterstützt.

Ähnlicher Mechanismus wie im menschlichen Immunsystem

«Wird das CRISPR-Cas-System in der infizierten Bakterienzelle sehr stark gefordert, löst es mit diesem Signal Alarm aus», erklärt Jinek. «Damit wird ein weiterer Abwehrmechanismus zu Hilfe gerufen, um das Virus zu eliminieren.» Dieses bakterielle Verteidigungssystem war bis anhin nicht bekannt. Auch wurde der vom CRISPR-Cas-System produzierte sekundäre Botenstoff bisher noch nie in der Natur beobachtet. Zudem hat der neu entdeckte Abwehrmechanismus unerwartete Ähnlichkeiten mit der Virusabwehr, wie sie vom angeborenen menschlichen Immunsystems bekannt ist. «Bakterien bekämpfen Viren auf eine Art, die jener von menschlichen Zellen überraschend ähnlich ist», ergänzt Jinek.

Literatur:

Ole Niewoehner, Carmela Garcia-Doval, Jakob T. Rostøl, Christian Berk, Frank Schwede, Laurent Bigler, Jonathan Hall, Luciano A. Marraffini, and Martin Jinek. Type III CRISPR-Cas systems produce cyclic oligoadenylate second messengers. Nature. 17 July 2017. DOI: 10.1038/nature23467