Genetik: Das Verteidigungssystem der Bakterien

02.05.2013
Foto:

Streptococcus pyogenes, hier beim Eindringen in eine Zelle, ist eines des Bakterien, dessen CRISPR-Cas-System die Forscher untersucht haben;
© HZI/Rohde

Auch Bakterien haben eine Art Immunsystem, mit dem sie unerwünschte Eindringlinge – in ihrem Fall Viren – abwehren können. Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung (HZI) in Braunschweig konnten jetzt zeigen: Dieses Abwehr-System ist vielgestaltiger als gedacht und existiert in zahlreichen Varianten.

Die vielen neu entdeckten Spielarten sogenannter „CRISPR-Cas“-Gene wollen sie für den gezielteren Umbau von Erbinformation nutzen, unter anderem für medizinische Zwecke.

Das Immunsystem des Menschen dient dem Schutz vor eindringenden Bakterien, Viren und anderen Krankheitserregern. Um diese Aufgabe erfüllen zu können, hat es sich zu einem hoch komplexen Ensemble von Zellen, Botenstoffen und Antikörper-Molekülen entwickelt, das verschiedenartigste Erreger erkennt, abwehrt und Informationen über sie speichert.

Auch die Bakterien selbst werden durch Erreger bedroht: Bestimmte Viren, die Bakteriophagen (zu Deutsch „Bakterienfresser“), haben sich darauf spezialisiert, in Bakterien-Zellen einzudringen und sich in ihnen zu vermehren. Um diese unerwünschten Gäste los zu werden, bedienen sich viele Bakterien-Arten eines Arsenals von Molekülen, das nach ähnlichen Prinzipien arbeitet wie ein Immunsystem.

Das Enzym Cas erkennt DNA-Moleküle mit fremder Erbinformation, die beispielsweise von einem Bakteriophagen stammt, und spaltet sie an einer bestimmten Stelle. Um sie erkennen zu können, benötigt es eine molekulare Abschrift von besonders charakteristischen Abschnitten der Fremd-DNA. Diese Abschrift, eine Art „molekularer Steckbrief“ von Bakteriophagen-DNA und anderem fremdem Gen-Material, liegt in Gestalt eines RNA-Moleküls vor, eines wichtigen Zellbausteins, der unter anderem als Zwischenspeicher für Informationen genutzt wird.

Die Vorlage für diesen Steckbrief speichert das Bakterium in seinen eigenen Genen, und zwar in Regionen, die Wissenschaftler als CRISPR bezeichnen (Clustered Regularly Interspaced Small Palindromic Repeats). Gemeinsam bilden das Enzym und die Steckbrief-RNA das CRISPR-Cas-System.

Die Arbeitsgruppe von Professor Emmanuelle Charpentier hat jetzt die Genome einiger Hundert Bakterien-Arten nach CRISPR-Cas-Genen durchsucht – und ist fündig geworden. „Wir haben neue CRISPR-Cas-Gene in mehreren Bakterien-Arten gefunden“, sagt Charpentier. Darunter finden sich gefürchtete Krankheitskeime wie Streptococcus pyogenes und der Hirnhautentzündungs-Erreger Neisseria meningitidis. „Einige dieser Gene haben wir am Computer identifiziert, indem wir bekannte DNA-Sequenzen der betreffenden Bakterien untersuchten.“ Charpentiers Resümee: „Das CRISPR-System ist unter den Bakterien nicht nur sehr verbreitet, es kommt auch in unglaublich vielen verschiedenen Varianten vor.“

Diese Varianten zu kennen ist nicht nur von akademischem Interesse, sondern kann insbesondere für die Gentechnik von enormem Nutzen sein: „Das CRISPR-Cas-System hat die Eigenschaft, dass es DNA an sehr spezifischen Stellen schneidet“, erklärt Charpentier. „Das Cas-Enzym kann bereits so modifiziert werden, dass es nicht nur in Bakterien tätig wird, sondern auch in tierischen und menschlichen Zellkulturen.“ Wird ein solches an die menschliche Zelle angepasstes Enzym im Zellkultur-Experiment gezielt mit neuen RNA-„Steckbriefen“ ausgestattet, dann schneidet es auch das Genom der Zelle an genau definierten Stellen.

MEDICA.de; Quelle: Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung