Tausende programmierbarer DNA-Cutter wurden in Algen, Schnecken und anderen Organismen gefunden.

13. Oktober 2023

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Von Jennifer Michalowski, Massachusetts Institute of Technology

Eine vielfältige Gruppe von Arten, von Schnecken über Algen bis hin zu Amöben, produziert programmierbare DNA-schneidende Enzyme namens Fanzors. Eine neue Studie von Wissenschaftlern am McGovern-Institut für Hirnforschung des MIT hat Tausende von ihnen identifiziert. Fanzors sind RNA-gesteuerte Enzyme, die so programmiert werden können, dass sie DNA an bestimmten Stellen schneiden, ähnlich wie die bakteriellen Enzyme, die das weit verbreitete Genschnittsystem namens CRISPR antreiben. Die neu entdeckte Vielfalt natürlicher Fanzor-Enzyme, die am 27. September in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht wurde, gibt Wissenschaftlern eine umfangreiche Sammlung programmierbarer Enzyme, die möglicherweise zu neuen Instrumenten für Forschung oder Medizin weiterentwickelt werden könnten.

'RNA-gesteuerte Biologie ermöglicht es Ihnen, programmierbare Werkzeuge herzustellen, die sehr einfach zu bedienen sind. Je mehr wir finden können, desto besser', sagt der McGovern Fellow Omar Abudayyeh, der die Forschung zusammen mit dem McGovern Fellow Jonathan Gootenberg leitete.

CRISPR, ein uraltes bakterielles Abwehrsystem, hat deutlich gemacht, wie nützlich RNA-gesteuerte Enzyme sein können, wenn sie für den Einsatz im Labor angepasst werden. Von MIT-Professor und McGovern-Forscher Feng Zhang, Abudayyeh, Gootenberg und anderen entwickelte CRISPR-basierte Genome-Editing-Werkzeuge haben die Art und Weise verändert, wie Wissenschaftler DNA modifizieren, die Forschung beschleunigt und die Entwicklung vieler experimenteller Gentherapien ermöglicht.

Forscher haben seitdem in der bakteriellen Welt weitere RNA-gesteuerte Enzyme entdeckt, von denen viele Eigenschaften aufweisen, die sie im Labor wertvoll machen. Die Entdeckung von Fanzors, deren Fähigkeit, DNA auf eine RNA-gesteuerte Weise zu schneiden, von Zhangs Gruppe bereits dieses Jahr gemeldet wurde, eröffnet eine neue Phase der RNA-gesteuerten Biologie. Fanzors waren die ersten solchen Enzyme, die in eukaryotischen Organismen gefunden wurden - einer umfangreichen Gruppe von Lebensformen, einschließlich Pflanzen, Tieren und Pilzen, definiert durch den membrangebundenen Zellkern, der das genetische Material jeder Zelle enthält. (Bakterien, die keinen Zellkern haben, gehören zu einer Gruppe, die als Prokaryoten bekannt ist.)

'Die Menschen suchen schon lange nach interessanten Werkzeugen in prokaryotischen Systemen, und ich denke, das war unglaublich fruchtbar', sagt Gootenberg. 'Eukaryotische Systeme sind wirklich ein ganz neuer Spielplatz, in dem man arbeiten kann.'

Abudayyeh und Gootenberg hoffen, dass Enzyme, die sich natürlicherweise in eukaryotischen Organismen entwickelt haben, besser geeignet sein könnten, sicher und effizient in den Zellen anderer eukaryotischer Organismen, einschließlich Menschen, zu funktionieren. Zhangs Gruppe hat gezeigt, dass Fanzor-Enzyme so konstruiert werden können, dass sie spezifische DNA-Sequenzen in menschlichen Zellen präzise schneiden können. In der neuen Arbeit entdeckten Abudayyeh und Gootenberg, dass einige Fanzors auch ohne Optimierung DNA-Sequenzen in menschlichen Zellen anvisieren können. 'Es war fantastisch zu sehen, dass sie in Säugetierzellen recht effizient arbeiten', sagt Gootenberg.

Vor der vorliegenden Studie waren bereits Hunderte von Fanzors bei eukaryotischen Organismen gefunden worden. Durch eine umfangreiche Suche in genetischen Datenbanken, die von Teammitglied Justin Lim geleitet wurde, haben Gootenberg und Abudayyeh das bisher bekannte vielfältige Spektrum dieser Enzyme um eine Größenordnung erweitert.

Unter den mehr als 3600 Fanzors, die das Team bei Eukaryoten und den sie infizierenden Viren gefunden hat, konnten die Forscher fünf verschiedene Enzymfamilien identifizieren. Durch den Vergleich der genauen Zusammensetzung dieser Enzyme fanden sie Hinweise auf eine lange evolutionäre Geschichte.

Fanzors haben sich wahrscheinlich aus bakteriellen RNA-gesteuerten DNA-schneidenden Enzymen namens TnpBs entwickelt. Tatsächlich waren es die genetischen Ähnlichkeiten zwischen Fanzors und diesen bakteriellen Enzymen, die sowohl die Aufmerksamkeit von Zhangs Gruppe als auch von Gootenberg und Abudayyehs Team erregten.

Die evolutionären Verbindungen, die Gootenberg und Abudayyeh verfolgt haben, legen nahe, dass diese bakteriellen Vorläufer von Fanzors wahrscheinlich mehr als einmal in eukaryotische Zellen eingedrungen sind und dort ihre Evolution eingeleitet haben. Einige wurden wahrscheinlich durch Viren übertragen, während andere möglicherweise von symbiotischen Bakterien eingeführt wurden. Die Forschung legt auch nahe, dass die Enzyme nach ihrer Aufnahme durch Eukaryoten Merkmale entwickelt haben, die für ihre neue Umgebung geeignet sind, wie etwa ein Signal, das es ihnen ermöglicht, in einen Zellkern einzutreten, wo sie Zugriff auf DNA haben.

Through genetic and biochemical experiments led by biological engineering graduate student Kaiyi Jiang, the team determined that Fanzors have evolved a DNA-cutting active site that is distinct from that of their bacterial predecessors. This seems to allow the enzyme to cut its target sequence more precisely the ancestors of TnpB, when targeted to a sequence of DNA in a test tube, become activated and cut other sequences in the tube; Fanzors lack this promiscuous activity. When they used an RNA guide to direct the enzymes to cut specific sites in the genome of human cells, they found that certain Fanzors were able to cut these target sequences with about 10 to 20 percent efficiency.

With further research, Abudayyeh and Gootenberg hope that a variety of sophisticated genome editing tools can be developed from Fanzors. 'It's a new platform, and they have many capabilities,' says Gootenberg.

'Opening up the whole eukaryotic world to these types of RNA-guided systems is going to give us a lot to work on,' Abudayyeh adds.

Journal information: Science Advances

Provided by Massachusetts Institute of Technology

This story is republished courtesy of MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), a popular site that covers news about MIT research, innovation and teaching.