Eine Waffe, die Viren in ihrem unendlichen Krieg gegen Bakterien einsetzen, könnte verwendet werden, um das weltweit leistungsstärkste Gen-Editing-Tool auszuschalten.
Dies könnte wiederum das Risiko verringern, dass das bakterielle Cut-and-Paste-System CRISPR-Cas9 die falschen Gene abschneidet und außer Kontrolle geratene genetische Veränderungen bei Menschen oder anderen Arten in freier Wildbahn einführt.
In einer neuen Studie entdeckten Wissenschaftler, dass ein winziges Protein das System abschaltet und zumindest in einer Petrischale das Protein in menschlichen Zellen wirkt, sagten die Forscher.
"Es ist im Grunde genommen nur ein einziges Protein, das wir in der Zelle herstellen oder an die Zelle abgeben können, um Cas9 auszuschalten und die Bindung und das Schneiden von DNA zu verhindern", sagte der Studienautor Joseph Bondy-Denomy, Mikrobiologe an der University of California. San Francisco.
Genetisch finden und ersetzen
Der CRISPR-Cas9-Komplex ist ein leistungsstarkes Instrument zur bakteriellen Immunabwehr gegen eindringende Viren. Wenn ein Virus eine Bakterienzelle infiltriert, mobilisieren die Bakterien eine DNA-Sequenz namens CRISPR oder "Clustered Regular Interspaced Short Palindromic Repeats". Die DNA besteht aus kurzen Blöcken sich wiederholender Basenpaare, die durch Spacer-DNA getrennt sind. Die Bakterien kopieren und fügen die virale DNA-Sequenz in die CRISPR-Region ein und produzieren zwei RNA-Stränge. Diese RNA assoziiert sich dann mit einem Enzym namens Cas9, das als geführte Schere fungiert, in die virale Ziel-DNA eindringt und diese herausschneidet. Schließlich repariert die Zelle die DNA und ersetzt das gelöschte DNA-Snippet durch ein anderes Ersatzstück (von Wissenschaftlern geliefert). Im Wesentlichen kann das CRISPR / Cas9-System als genetisches "Finden und Ersetzen" verwendet werden.
Aufgrund der Benutzerfreundlichkeit des CRISPR-Systems kann es für nahezu jede Gen-Editing-Technik verwendet werden. Zum Beispiel könnten Ärzte eines Tages menschliche Immunzellen im Labor bearbeiten, um Krebszellen zu erkennen, und diese Zellen dann als gezielte Krebsbehandlung wieder in eine Person injizieren, sagte Bondy-Denomy. Kürzlich verwendeten Forscher in China CRISPR, um menschliche Embryonen mit schwerwiegenden genetischen Defekten zu bearbeiten, obwohl sie die Embryonen nicht reifen ließen.
Off-Target-Effekte
Das Gen-Editing-System hat jedoch ein Problem: Manchmal schneidet es immer noch die falschen DNA-Sequenzen. Cas9 bleibt auch zu lange; Laut Bondy-Denomy dauert es ungefähr 24 Stunden, bis die Hälfte des Cas9 von einer Zelle abgebaut ist, sodass genügend Zeit bleibt, um DNA-Schnitte außerhalb des Ziels vorzunehmen, sagte Bondy-Denomy gegenüber Live Science.
Wenn Cas9 einen "Aus" -Schalter hat, würde dies die Möglichkeit der menschlichen Gentechnik sicherer machen, sagte Bondy-Denomy.
Er und seine Kollegen argumentierten, dass Viren CRISPR / Cas9 auf irgendeine Weise ausschalten müssen. Um sich zu replizieren, fügen Viren häufig ihre eigene DNA in das Genom der Bakterien ein und nutzen die genetische Maschinerie der Zelle, um viele Kopien der viralen DNA zu erstellen. Nach dieser Logik müssen Viren also eine Möglichkeit haben, CRISPR / Cas9 zu deaktivieren, oder manchmal identifiziert das Immunsystem der Bakterien die virale Ziel-DNA in ihrem eigenen Genom, schneidet sie ab und verursacht eine Selbstzerstörung, Bondy-Denomy und seine Kollegen sagten.
"Cas9 sollte eine RNA herstellen, die dann das Virus spaltet, das sich zufällig in seinem eigenen Genom befindet - es ist nicht klug genug, um zu wissen, dass es sich in seinem eigenen Genom befindet", sagte Bondy-Denomy gegenüber Live Science. Das Team argumentierte, dass es sich um eine Bakterienzelle handelt stabil und es ist nicht selbstzerstörend, "dann macht dieses Virus vielleicht ein Inhibitorprotein."
Dann sah sich das Team 300 Sorten an Listeria Bakterien, die durch Lebensmittel übertragene Krankheiten verursachen, auf Anzeichen dafür, dass virale DNA das Bakteriengenom infiltriert hat. Die Bakterien zerstörten sich jedoch nicht selbst. Von dort aus suchten sie nach inaktivierten Proteinen ListeriaDie Version von Cas9, die der in den meisten Labors der Welt verwendeten Version mit dem Namen SpyCas9 sehr ähnlich ist.
Das Team fand vier Anti-CRISPR-Proteine, von denen zwei gegen das häufig verwendete SpyCas9 wirkten, berichteten die Forscher heute (29. Dezember) in der Zeitschrift Cell. In einer Petrischale arbeiteten diese beiden Anti-CRISPR-Proteine auch in menschlichen Zellen, um das CRISPR / Cas9-System zu deaktivieren.
Sicherere Technik
Das Team muss noch beweisen, dass die Verwendung der Anti-Cas9-Proteine das Schnittpotential von Cas9 außerhalb des Ziels verringert, und sie wissen nicht, wie lange das Protein in den Zellen verweilt. Wenn sie jedoch zeigen können, dass das Protein in vivo funktioniert, könnte die neue Entdeckung die Geneditierung sicherer machen, indem Cas9 schnell eliminiert wird.
"Sie verlassen sich nicht auf die passive Verschlechterung, sondern stellen tatsächlich sicher, dass sie ausgeschaltet wird", sagte Bondy-Denomy.
Die Technik könnte auch für andere Anwendungen verwendet werden. Zum Beispiel haben die Leute diskutiert, Cas9 zu verwenden, um ein mutiertes Gen in eine ganze Population von Mücken einzuführen, um sie auszurotten oder die Ausbreitung bestimmter Krankheiten zu verhindern.
"Dies setzt im Wesentlichen einen Bioterror für einen Organismus frei", der gute, schlechte oder völlig unvorhersehbare Folgen haben könnte, sagte Bondy-Denomy. Diese Anti-CRISPR-Proteine könnten daher ein praktischer Ausschalt- oder Kontrollmechanismus sein, falls ein solches speziesweites Engineering eingeschränkt werden muss, sagte Bondy-Denomy.
