Aufklärung der molekularen Mechanismen von Cas-Endonukleasen aus Bakterien und Cyanobakterien

• Antragstellerin: Dr. Sabine Schneider
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Strukturbiologie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 405856574

Prokaryoten nutzen CRISPR-Cas Systeme (CRISPR = Clustered Regulatory Interspaced Short Palindromic Repeats, Cas= CRISPR-associated gene) um sich gegen Phagen, eindringende Nukleinsäuren und mobile genetische Elemente zu schützen. Diese adaptiven Immunsysteme bestehen aus dem im Genom kodierten CRISPR-Locus, der in die sogenannte crRNA (CRISPR-RNA) transkribiert wird und einer Effektor-Nuklease, die den aktivierten Komplex mit der crRNA bildet. Die aktivierte Effektor-Nuklease schneidet folgend die Ziel-Nukleinsäure abhängig von der crRNA -Sequenz. Das RNA-geleitete, sequenzspezifische schneiden von dopplesträngiger DNA durch die Cas9-Endonuklease von Streptococcus pyogenes (SpyCas9) kann zur positionsspezifischen Genommodifikation in unterschiedlichsten Organsimen verwendet werden und hat dadurch das Forschungsfeld der Biologie in den letzten Jahren revolutioniert. Um SpyCas9 zu einem universellen Werkzeug zur Genommodifikation zu entwickeln, spielte die Strukturbiologie mit der Aufklärung der molekularen Mechanismen eine entscheidende Rolle. Etwa 100 Strukturen von Cas-Proteinen und CRISPR-assoziierten Proteinen wurden bisher gelöst. Allerdings besitzen Prokaryoten und Archäen eine Vielzahl von sehr diversen Cas-Systemen, deren natürliche Aufgaben oder Funktionsmechanismen bisher nicht untersucht wurden. Ebenso bleiben viele dieser Systeme bisher unentdeckt. Basierend auf bioinformatischen Untersuchungen von Genomen, wurden viele neue Subtypen von Cas-Proteinen in Bakterien, Cyanobakterien und Archäen vorhergesagt und klassifiziert. Kürzlich konnte in Untersuchungen von Klasse I Systemen gezeigt werden, dass diese Oligoadenylat als sekundäre Botenstoffe generieren und so weitere Endonukleasen aktivieren und folgend RNA-Degradation stimulieren. Auch gibt es Daten, die darauf hinweisen, dass CRISPR-Cas-Systeme nicht nur prokaryotische Abwehrsysteme sind, sondern auch eine Rolle in der DNA-Reparatur, der Regulation der Genexpression, Virulenz und horizontalem Gentransfer spielen. Dies macht deutlich, dass es trotz des bisherigen großen Fortschritts in der Charakterisierung dieser faszinierenden Systeme noch viel Aufklärungsbedarf zu ihren molekularen Mechanismen und Funktion im natürlichen, zellulären Kontext besteht. Meine Forschungsgruppe beschäftigt sich mit der Untersuchung des Zusammenhangs von Struktur und Funktion von Nukleinsäuren und deren Erkennung durch Proteine und kleinen Molekülen. In diesem Forschungsvorhaben wollen wir Klasse II Cas-Protein von Cyanobakterien und Bakterien biochemisch und strukturell untersuchen, und so den molekularen Mechanismus dieser Cas-Proteine im Detail aufklären. In Zusammenarbeit mit den Forschungsgruppen von G. Bange, W. Hess, G. Klug und A. Marchfelder im Rahmen dieses Schwerpunktprograms, werden wir so einen umfassenden Überblick vom atomaren Detail bis hin zur Funktion im natürlichen Organismus dieser Protein erhalten.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2141: Weitaus mehr als nur Verteidigung: die vielen verschiedenen Funktionen des CRISPR-Cas Systems