Researchers from Würzburg, Germany and the U.S. discover new type of CRISPR gene scissors Neue Art der Genschere entdeckt
Germany
January 5, 2023
Like a Swiss army knife: Researchers from Würzburg and the U.S. discover new type of CRISPR gene scissors. New publication in "Nature".
Chase Beisel (center) and Oleg Dmytrenko in the HIRI lab. (Image: HIRI)
Like humans, bacteria and archaea can be attacked by viruses. These microorganisms have developed their own immune defense strategies against their pathogens. Bacterial defenses, such as CRISPR-Cas systems, have diverse proteins and functions that help bacteria protect themselves against foreign invaders. The defense is based on a common mechanism: a CRISPR ribonucleic acid (crRNA), serving as a "guide RNA," helps detect regions of a foreign genome, such as the DNA of a virus, for targeted cleavage. The CRISPR-associated (Cas) nuclease directed by a crRNA can cut its target like a pair of scissors: a strategy of nature that humans have harnessed in many technologies.
"Considering how well different nucleases have been translated into new and improved technologies, any discovery in this field could bring new benefits to society," says Chase Beisel, describing a research motivation of his laboratory at the Würzburg Helmholtz Institute for RNA-based Infection Research (HIRI). The institute is a site of the Braunschweig Helmholtz Centre for Infection Research in cooperation with the Julius-Maximilians-Universität (JMU) in Würzburg. Beisel initiated the current study on a specific set of CRISPR-Cas systems with Matthew Begemann at Benson Hill, Inc. (Missouri) and Ryan Jackson at Utah State University in the U.S. The results were published today in the renowned journal Nature and were accompanied by detailed structural analysis from a second team, also led by Ryan Jackson, and by David Taylor at University of Texas.
Unique from any other known CRISPR nuclease
“We were exploring CRISPR nucleases that were originally clumped with Cas12a, nucleases that defend bacteria by recognizing and cleaving invasive DNA. Once we identified more of them, we realized that they were different enough from Cas12a to warrant a deeper dive,” tells Oleg Dmytrenko, the first author of the study. “This exploration led us to discover that these nucleases, which we called Cas12a2, do something very different not only from Cas12a but also from any other known CRISPR nuclease.”
The crucial difference lies in the mechanism of their defense action. When Cas12a2 recognizes invasive RNA, the nuclease cleaves it but can also damage other RNA and DNA inside the cell, impairing its growth and limiting the spread of the infection. “In general, such defense strategies that abort the infection have been known in bacteria,” says HIRI postdoc Oleg Dmytrenko. “A few other CRISPR-Cas systems work in this way. However, a CRISPR-based defense mechanism that relies on a single nuclease to recognize the invader and degrade cellular DNA and RNA has not been observed before,” the scientist says.
Funding
The study was supported by funding from the European Research Council (ERC Consolidator Award to Chase Beisel), the German Federal Agency for Disruptive Innovation (SPRIND), the Pre-4D program of the Helmholtz Centre for Infection Research, and with funds from the National Institutes of Health and the Welch Foundation.
Original publications
Dmytrenko O, Neumann GC, Hallmark T, Keiser DJ, Crowley VM, Vialetto E, Mougiakos I, Wandera KG, Domgaard H, Weber J, Gaudin T, Metcalf J, Gray BN, Begemann MB, Jackson RN, Beisel CL (2023): Cas12a2 elicits abortive infection via RNA-triggered destruction of dsDNA. Nature, https://www.nature.com/articles/s41586-022-05559-3
Bravo JPK, Hallmark T, Naegle B, Beisel CL, Jackson RN, Taylor DW (2023): Large-scale structural rearrangements unleash indiscriminate nuclease activity by CRISPR-Cas12a2, Nature, https://www.nature.com/articles/s41586-022-05560-w
Neue Art der Genschere entdeckt
Wie ein Schweizer Taschenmesser: Ein neu entdeckter Baustein der bakteriellen Immunabwehr legt infizierte Zellen lahm. Er könnte die molekularbiologische Diagnostik voranbringen.
Auch Bakterien können von Viren befallen werden, und sie haben für diesen Fall eigene Immunabwehrstrategien entwickelt. Bakterielle Abwehrsysteme wie CRISPR-Cas verfügen über verschiedene Proteine und Funktionen, die den Bakterien helfen, sich gegen Eindringlinge zu schützen.
Die Abwehr basiert auf einem gemeinsamen Grundmechanismus: Eine CRISPR-Ribonukleinsäure (crRNA), die als "Leit-RNA" dient, hilft dabei, Regionen eines fremden Genoms, etwa die DNA eines Virus, zu erkennen, um sie gezielt unschädlich zu machen. Die von einer crRNA geleitete Nuklease kann ihr Ziel wie eine Schere zerschneiden. Das ist eine Strategie der Natur, die sich der Mensch technologisch auf vielfältige Weise zunutze gemacht hat.
„Wenn man bedenkt, wie gut verschiedene Nukleasen in neue und verbesserte Technologien umgesetzt wurden, dann könnte jede Entdeckung auf diesem Gebiet neuen Nutzen für die Gesellschaft bringen“, beschreibt Professor Chase Beisel eine Forschungsmotivation seines Labors am Würzburger Helmholtz-Institut für RNA-basierte Infektionsforschung (HIRI). Die Einrichtung ist ein Standort des Braunschweiger Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung in Kooperation mit der Julius-Maximilians-Universität, der Chase Beisel als Leiter des Lehrstuhls für synthetische RNA-Biologie angehört.
Eine komplett neue Art der CRISPR-Immunabwehr
Den Forschenden gelang nun eine unerwartete Entdeckung. Chase Beisel hat mit Matthew Begemann von Benson Hill, Inc. (Missouri), und Ryan Jackson von der Utah State University in den USA eine Nuklease gefunden, genannt Cas12a2, die eine gänzlich neue Art der CRISPR-Immunabwehr darstellt. Die Ergebnisse sind im Journal Nature publiziert. Begleitet werden sie von einer weiterführenden strukturellen Analyse, die ein zweites Team unter der Leitung von Ryan Jackson und David Taylor (University of Texas) vorgenommen hat.
„Wir haben CRISPR-Nukleasen erforscht, die ursprünglich unter Cas12a subsumiert wurden, also unter Nukleasen, die Bakterien vor Eindringlingen schützen, indem sie invasive DNA erkennen und spalten. Als wir jedoch mehr von diesen Nukleasen identifiziert hatten, zeigten sich so viele Unterschiede, dass es sich lohnte, tiefer in die Materie einzusteigen”, berichtet Oleg Dmytrenko, Erstautor der Studie. „Dabei entdeckten wir, dass sich diese Nukleasen, die wir Cas12a2 nannten, nicht nur ganz anders verhalten als Cas12a, sondern auch als jede andere bekannte CRISPR-Nuklease.“
Anders als jede andere bekannte CRISPR-Nuklease
Der entscheidende Unterschied: Wenn Cas12a2 invasive RNA erkennt, spaltet die Nuklease diese, kann aber auch andere RNA und DNA in der Zelle schädigen. Das beeinträchtigt deren Wachstum und dämmt die Infektion ein. Grundsätzlich seien solche sogenannten abortiven Infektionsabwehrstrategien (Abi) von Bakterien bereits bekannt, meint HIRI-Postdoc Dmytrenko.
Auch einige andere CRISPR-Cas-Systeme funktionierten auf diese Weise. „Ein CRISPR-basierter Abwehrmechanismus, der sich auf eine einzige Nuklease stützt, um den Eindringling zu erkennen und zelluläre DNA und RNA abzubauen, wurde jedoch noch nie beobachtet“, sagt der Wissenschaftler. Cas12a2 kann für die molekulare Diagnostik und den direkten Nachweis von RNA-Biomarkern verwendet werden, wie ein Machbarkeitsbeweis ergeben habe.
Förderung
Die Studie wurde aus Mitteln des Europäischen Forschungsrats (ERC Consolidator Grant an Chase Beisel), der Bundesagentur für Sprunginnovationen (SPRIND), des Programms Pre-4D des Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung sowie mithilfe der National Institutes of Health und der Welch Foundation gefördert.
Publikationen
Dmytrenko O, Neumann GC, Hallmark T, Keiser DJ, Crowley VM, Vialetto E, Mougiakos I, Wandera KG, Domgaard H, Weber J, Gaudin T, Metcalf J, Gray BN, Begemann MB, Jackson RN, Beisel CL (2023): Cas12a2 elicits abortive infection via RNA-triggered destruction of dsDNA. Nature, https://www.nature.com/articles/s41586-022-05559-3
Bravo JPK, Hallmark T, Naegle B, Beisel CL, Jackson RN, Taylor DW (2023): Large-scale structural rearrangements unleash indiscriminate nuclease activity by CRISPR-Cas12a2, Nature, https://www.nature.com/articles/s41586-022-05560-w
Topics
Species
