I 2020 går Nobelprisen i Kemi til Emmanuelle Charpentier og Jennifer A. Doudna for opdagelsen af den molekylære mekanisme bag CRISPR-Cas og benyttelse af teknologien som genetisk værktøj. Selv om CRISPR-Cas har fundet rigtig mange anvendelser inden for bioteknologi og medicin, så stammer det fra naturen, hvor det fungerer som et immunsystem i mikrober.

På samme måde som vores immunsystem husker de sygdomme, vi har været udsat for tidligere i livet, giver CRISPR-Cas mikroorganismer evnen til at reagere hurtigt på virus, de tidligere har mødt, ved at gemme en lille smule af det virale DNA i deres eget arvemateriale.

CRISPR-Cas findes naturligt i de fleste bakterier samt de såkaldte archaea. Når man undersøger livets opståen på jorden, er specielt archaea interessante, da de på mange måder udgør en slags "missing link" mellem bakterier og højerestående celler som vores egne. Studier af disse organismer kan derfor give os vigtig indsigt i, hvordan CRISPR-Cas immunsystemet er udviklet gennem flere hundrede millioner år.

Nye resultater afslører, hvorfor der findes toksiner og cellegifte i CRISPR-Cas

Nu kaster nye forskningsresultater fra forskere ved Institut for Molekylærbiologi og Genetik, Aarhus Universitet – opnået i tæt samarbejde med førende forskere fra Københavns Universitet og Old Dominion University i Virginia, USA, og publiceret i to artikler i førende, internationale tidsskrifter – nyt lys over, hvordan CRISPR-Cas er opstået tidligt i udviklingen af livet på jorden, samt hvordan immunsystemet løbende tilpasses nye udfordringer.

Forskergruppen i Aarhus, der er under ledelse af lektor Ditlev E. Brodersen, har bl.a. fundet ud af, hvordan den del af CRISPR-Cas, der står for at indbygge fremmed, viral DNA i mikroorganismens egen arvemasse, er opstået ud fra en anden, meget udbredt type af gener i bakterier og archaea, der overraskende indeholder toksiner eller cellegifte.

Den nye viden giver derfor indsigt i en evolutionær proces, hvor toksin-generne var tilstede tidligt i livets udvikling og med tiden blev indbygget og tilpasset som en del af de CRISPR-Cas moduler, som mange mikroorganismer besidder den dag i dag. Det giver for første gang svar på et spørgsmål, der har undret forskerne længe, nemlig hvorfor der findes toksingener blandt CRISPR-Cas-generne.

- "Denne viden, altså en forståelse af hvordan bestemte proteiner 'genbruges' i flere forskellige situationer, er enormt nyttig for forskerne", forklarer Ditlev Brodersen, "for når vi forstår hele det repertoire af funktioner, som bestemte proteiner besidder, så åbner det for mulighederne for at benytte dem som specifikke værktøjer inden for genteknologi". "Det kan for eksempel være, at man kan få sygdomsfremkaldende bakterier til at rette CRISPR-Cas-skytset mod sig selv og på den måde undgå infektioner."

Konstant kamp mellem mikroorganismer og vira

I en anden artikel, publiceret i det anerkendte tidsskrift Nature Communications, beskriver forskerne nye resultater, der giver et indblik i den konstante kamp mellem mikroorganismer og de vira, der er nogle af deres værste fjender.

I kogende mudderpøle på Island lever en meget speciel organisme, en archaea kaldet Sulfolobus islandicus, som gennem millioner af år har tilpasset sig livet på dette sted, der med en konstant temperatur omkring 80-100°C og en surhedsgrad svarende til mavesyre udgør ét af de mest ugæstfri steder på jorden.

Men selv om Sulfolobus har valgt et meget lidet attraktivt sted at bo, så møder den modstand, ikke mindst fra små, stavformede DNA-vira, der konstant prikker huller i cellerne og skyder deres fremmede arvemasse ind i dem, hvilket får Sulfolobus til at eksplodere i et hav af nye virus-partikler. For at undgå denne skæbne har Sulfolobus udviklet et CRISPR-Cas-forsvar, hvor den har gemt ganske små dele af det virale DNA i sit eget, så den kan modstå disse angreb.

Figur: De nye resultater viser med stor detaljegrad, hvordan to anti-CRISPR-proteiner (lyserøde) låser to CRISPR-Cas proteiner (beige) og dermed forhindrer dem i at ødelægge det virale DNA (D. E. Brodersen).

Anti-CRISPR - som en kæp i hjulet

Men i den konstant optrappede kamp mellem liv og død har virussen udviklet et modtræk: Den har fundet ud af at klare sig ved at producere et lille antistof, et anti-CRISPR-protein, der som en kæp i hjulet blokerer for Sulfolobus' CRISPR-Cas immunsystem.

De nye resultater fra Ditlev E. Brodersens gruppe fra Aarhus Universitet – fremkommet i tæt samarbejde med lektor Xu Peng fra Biologisk Institut ved Københavns Universitet – viser nu for første gang, hvordan denne blokering foregår i de kogende sumpe.

Hvad forskerne nu kan se er, at anti-CRISPR-proteinet binder kraftigt til det største protein i CRISPR-Cas-systemet og derved direkte forhindrer det i at ødelægge det virale DNA. På den måde omgår virus, i hvert fald for en tid endnu, at blive slået tilbage af CRISPR-Cas. De nye resultater giver forskerne et indblik i det våbenkapløb, der konstant finder sted i naturen, og hvordan livets udvikling i virkeligheden er en konstant kamp for overlevelse.

- "Vi kender nu til detaljerne omkring, hvordan anti-CRISPR-proteinet kan ødelægge CRISPR-Cas-immunforsvaret, så spørgsmålet er, hvad der bliver det næste træk i dette våbenkapløb", siger Ditlev Brodersen. "Måske begynder mikroberne at danne anti-anti-CRISPR-proteiner, altså en helt tredje slags protein, der kan forhindre anti-CRISPR-proteinet i at virke, men sådan nogle har vi endnu ikke fundet i Sulfolobus archaea". "Så lige for tiden er bolden altså tilbage på Sulfolobus' banehalvdel", siger Ditlev Brodersen, "og den kolde krig er altid varm i den kogende sump".

Link til artiklen i tidsskriftet Structure:

"Structural Basis for Toxin Inhibition in the VapXD Toxin-Antitoxin System"
Marie B. Bertelsen, Meriem Senissar, Maja H. Nielsen, Ashley L. Molinaro, Dayle A. Daines, Ditlev E. Brodersen
DOI: https://doi.org/10.1016/j.str.2020.10.002

Link til artiklen i Nature Communications:

"Structural basis for inhibition of an archaeal CRISPR–Cas type I-D large subunit by an anti-CRISPR protein" M. Cemre Manav, Lan B. Van, Jinzhong Lin, Anders Fuglsang, Xu Peng & Ditlev E. Brodersen

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-020-19847-x

Mere information

Lektor Ditlev E. Brodersen
Institut for Molekylærbiologi og Genetik
Aarhus Universitet
tlf. 21669001, email deb@mbg.au.dk