Metagenomisches Datamining zur Analyse von CRISPR/Cas-Systemen

• Antragsteller: Professor Dr. Björn Voß
• Fachliche Zuordnung: Bioinformatik und Theoretische Biologie ; Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 405973696

Die Entdeckung eines prokaryotischen, adaptiven Immunsystems, dem CRISPR-Cas-System, hat mittlerweile zu einer Revolution der Gentechnik geführt. Der zugrundeliegende Mechanismus erlaubt das punktgenaue Editieren von Genomen, das Einfügen von genetischem Material an definierten Positionen im Genom, sowie das exakte Deletieren ungewünschter genomischer Bereiche.Die ursprüngliche Funktion dieser Systeme in Bakterien und Archaeen ist jedoch die Abwehr von eindringender Fremd-DNA, z.B. Viren, und insbesondere die Verleihung von Immunität gegenüber neuen Attacken. Die Spezifität von CRISPR-Cas wird durch sog. CRISPR RNAs (crRNAs) vermittelt, die komplementär zur Fremd-DNA sind. Diese crRNAs befinden sich zusammen mit den Cas-Proteinen in einem Komplex, erkennen die Fremd-DNA woraufhin eine Cas-Endonuklease des Komplexes die Fremd-DNA schneidet und sie dem weiteren Abbau zuführt. Es konnten auch Varianten solcher Systeme charakterisiert werden, die regulatorische Funktionen innerhalb der Zelle übernehmen.Die eigentliche Herausforderung bei der Analyse von CRISPR-Cas Systemen liegt in der Charakterisierung ihrer Ziele. Da es sich bei CRISPR-Cas um ein Abwehrsystem gegen Fremd-DNA, wie z.B. Viren oder Plasmide, handelt, stehen diese unter einem hohen Selektionsdruck und evolvieren schnell um die Immunität ihrer Wirte zu umgehen. Aus diesem Grund und weil Virengenome in existierenden Sequenzdatenbanken unterrepräsentiert sind, lassen sich die Ziele eines CRISPR-Systems nur selten finden. Genau hier bieten metagenomische Datensätze einen entscheidenden Vorteil, da sie eine Momentaufnahme eines Habitats darstellen, und somit auch Daten über Virus-Wirt-Interaktionen, wie sie bei der CRISPR-Antwort auftreten, enthalten. Darüberhinaus lässt sich basierend auf metagenomische Daten auch eine viel größere Diversität der untersuchten Systeme erreichen.In dem beantragten Projekt, wollen wir daher eine umfassende Analyse von metagenomischen Datensätzen durchführen, mit dem Ziel grundlegende Eigenschaften von CRISPR-Cas zu finden. Hierbei geht es zum Beispiel um die Frage ob die Abwehr von eindringender DNA die Hauptaufgabe von CRISPR-Cas darstellt, oder ob weitere Funktionen, z.B. Genregulation, häufiger sind als bekannt.

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