Altes Gen mit neuer Funktion

Die RNase E kann auch CRISPR/Cas-Systeme aktivieren

21.02.2018 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität Freiburg haben nun nachgewiesen, dass sich in dem von ihnen untersuchten CRISPR/Cas-System in einem Cyanobakterium das Enzym RNase E als RNA-Schere betätigt. (Bildquelle: © Dominik Kopp)
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität Freiburg haben nun nachgewiesen, dass sich in dem von ihnen untersuchten CRISPR/Cas-System in einem Cyanobakterium das Enzym RNase E als RNA-Schere betätigt. (Bildquelle: © Dominik Kopp)

Auch Bakterien und andere Prokaryoten haben ein Immunsystem. Sie verteidigen sich mit Hilfe von CRISPR/Cas gegen Viren. In einer Blaualge haben Forscher jetzt herausgefunden, dass das Enzym RNase E nicht nur die korrekte Genexpression steuert, sondern auch CRISPR/Cas aktivieren kann. RNase E ist evolutionär sehr alt und hochkonserviert, hat aber wohl erst im Lauf der Zeit diese neue Funktion erworben.

Das Enzym RNase E ist in zahlreichen Bakterien ein überlebenswichtiges Enzym, das ständig hergestellt wird und immer im Einsatz ist. Es reguliert die posttranskriptionale Genregulation, indem es nicht mehr benötigte mRNA schneidet und dadurch ihren Abbau einleitet.

Doch RNase E hat noch eine ganz andere Funktion. Die Genschere kann das bakterielle Verteidigungssystem CRISPR/Cas scharfschalten. Das berichten Wissenschaftler um Wolfgang Hess von der Universität Freiburg. Sie haben den Mechanismus an dem Cyanobakterium Synechocystis erforscht. „Es scheint, als hätte sich die RNase E im Lauf der Zeit mit der CRISPR-RNA als Substrat arrangiert“, erklärt Hess.

CRISPR braucht meist spezielle Enzyme

Damit CRISPR/Cas überhaupt funktioniert, muss zunächst ein langes RNA-Moleküle (pre-crRNA) in kurze Einzelteile (crRNA) zerlegt werden. Dieser Schritt wird meist von speziellen Endoribonukleasen übernommen, die außer CRISPR keine andere wichtige Funktion haben. Eine bereits bekannte Ausnahme bildet das CRISPR-Cas9-System, das auf die Hilfe der ubiquitären RNase III angewiesen ist.

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Das Enzym RNase E ist hochkonserviert und kommt auch in pflanzlichen Chloroplasten vor.

Das Enzym RNase E ist hochkonserviert und kommt auch in pflanzlichen Chloroplasten vor.

Quelle: © Vera Kuttelvaserova / Fotolia.com

Jetzt ist klar: Auch RNase E kann bei CRISPR/Cas mitmischen. Die Wissenschaftler identifizierten in dem Enzym vier hochkonservierte Aminosäuren. Zwei davon sind verantwortlich für die Bindung von mRNAs. Die zwei anderen sind speziell für die CRISPR-Interaktion zuständig. 

RNase III hier unbeteiligt

Die Blaualge Synechocystis hat insgesamt drei hochaktive CRISPR-Cas-Systeme. Zwei davon nutzen zur RNA-Prozessierung das bekannte Enzym Cas6. Doch wie arbeitete das dritte? Die Forscher vermuteten zunächst, dass hier das Enzym RNase III eine Rolle spielt. Schließlich hat Synechocystis gleich drei Versionen davon.

Doch im Lauf der Experimente kam heraus: RNase III ist in diesem Fall unbeteiligt, die RNA-Prozessierung geht auf das Konto von RNase E. Dem Werkzeugkasten der Biologen, die sich mit Genomeditierung beschäftigen, ist somit ein neues Teil hinzugefügt worden.

In Chloroplasten schwer anwendbar

Auch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert Projekte, die neuartige Werkzeuge für die molekulare Nutzpflanzenzüchtung entwickeln. Damit sind auch innovative Nukleasen gemeint. Diese off-target Effekte lassen sich auch mit Algorithmen nur bedingt vorhersagen, da sich die sgRNA des Enzyms im Proteinkomplex anders verhält als in Reinform.

Könnte also RNase E eine solche Nuklease sein? Immerhin findet sie sich auch in den pflanzlichen Chloroplasten. Doch Jörg Meurer, der an der Ludwig-Maximilians-Universität München am plastidiären RNA-Metabolismus forscht, dämpft diese Erwartungen: „Die Transformation von Chloroplasten ist aufwändig und die Regeneration klappt beim Modellorganismus Arabidopsis so gut wie nie.“ Auf absehbare Zeit wird die RNase E also keinen Einzug in die Pflanzenzüchtung finden.

Auch Wolfgang Hess sieht den Nutzen des von ihm neuentdeckten Tools zunächst in der Grundlagenforschung an Bakterien. „Neben den Cyanobakterien besitzen auch viele pathogene Bakterien, wie beispielsweise Salmonellen, RNase E“, erklärt Hess. Andererseits lässt sich die RNase E für die Forschung an Bakterien nutzen, die oxygene Photosynthese betreiben und sich damit gut als Bioreaktor für die Herstellung von Treibstoffen und anderen energiereichen Verbindungen eignen.

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