CRISPR und crRNAs

Bakterien sind ständig mit Bakteriophagen infiziert, Viren, die Bakterien infizieren.

Um dieser Bedrohung zu begegnen, haben Bakterien ein ausgeklügeltes adaptives Immunitätssystem entwickelt, das als CRISPR-Cas-System bekannt ist, um die DNA von Bakteriophagen im Falle einer erneuten Infektion zu zerstören.

Dieses System umfasst drei verschiedene Prozesse: den Einbau des DNA-Segments des Bakteriophagen in das bakterielle Genom, die Produktion der CRISPR-RNA und des Cas-Proteins sowie die CRISPR-RNA-Cas-vermittelte Spaltung der Bakteriophagen-DNA.

Wenn ein Bakteriophagen angreift, heftet er sich an die Oberfläche der Bakterienzelle und fügt seine DNA in die Bakterien ein, die dann vom Bakteriensystem gespalten wird.

Ein kurzer Abschnitt der Bakteriophagen-DNA wird dann in bestimmte Regionen des bakteriellen Genoms gegeben, CRISPR genannt, geclusterte regelmäßige kurze palindromische Wiederholungen. Dabei handelt es sich um genomische Regionen, in denen bakterielle Sequenzwiederholungen mit den kurzen, variierenden Spacersequenzen verschiedener Bakteriophagen durchsetzt sind.

Diese Spacer-Sequenzen dienen als Speicher für die Bakterien aller Bakteriophagen, die zuvor angegriffen haben. Bakterien verwenden Spacersequenzen, um die DNA einer bestimmten Art von Bakteriophagen schnell zu identifizieren und zu zerstören, wenn diese erneut angreift.

Die Transkripte aus der CRISPR-Region werden verarbeitet, um CRISPR-RNA-Moleküle herzustellen, die etwa 30 Nukleotide lang sind und die Spacer-Sequenz und die nahe gelegene bakterielle Wiederholungssequenz enthalten.

Die CRISPR-assoziierten oder Cas-Systeme kodieren für das Cas-Protein. Dieses Cas-Protein assoziiert sich dann mit dem CRISPR-RNA-Molekül und bildet einen Ribonukleoprotein-Komplex.

Wenn die gleiche Art von Bakteriophagen erneut angreift, wird seine DNA anhand seiner spezifischen Spacersequenz in der CRISPR-RNA erkannt. Das assoziierte Cas-Protein schneidet dann entweder allein oder mit Hilfe mehrerer Proteine beide Stränge der Bakteriophagen-DNA.

Die Prinzipien des CRISPR-Cas-Systems und seiner Komponenten können verwendet werden, um jedes Gen in einem Organismus mit Hilfe seiner komplementären Guide-RNA auszuschalten oder zu modifizieren.

Verschiedene Arten des CRISPR-Cas-Systems kommen in Bakterien und Archaeen vor. Unter ihnen ist das CRISPR-Cas9-System eines der am besten untersuchten und am weitesten verbreiteten für verschiedene praktische Anwendungen, da es einfach und effektiv so umprogrammiert werden kann, dass es auf verschiedene Gene abzielt.