FOR 1680: Unravelling the Prokaryotic Immune System
Final Report Abstract
Als die Forschungsgruppe beantragt wurde, war gerade erst entdeckt worden, dass das CRISPR-Cas System Bakterien und Archaeen zur Abwehr von Angreifern dient. Das Ziel der Forschungsgruppe war es, die Funktion und die molekularen Mechanismen dieses Systems in ausgesuchten bakteriellen und archaealen Modellorganismen zu analysieren. Die verschiedenen Modellorganismen, die untersucht wurden, besitzen verschiedene CRISPR-Cas Systeme, die sowohl zur Klasse 1 (Typ I , Typ III und Typ IV) als auch zur Klasse 2 (Typ II) gehören. Es sollten die jeweiligen Cas Proteine und crRNAs der verschiedenen Systeme identifiziert und charakterisiert werden. Auch war geplant, die Strukturen sowohl von einzelnen Cas Proteinen als auch von den Komplexen der Cas-Proteine zu bestimmen. Mithilfe von bioinformatischen Analysen sollten die Spacer- und Repeat-Sequenzen der CRISPR RNAs genau analysiert werden. Ein weiteres Ziel war, den Ablauf des Abwehrmechanismus zu untersuchen. Weiterhin sollten Eigenschaften, die für alle CRISPR-Cas Systeme gelten, identifiziert werden ebenso wie organismenspezifische Besonderheiten. Um diese Ziele zu erreichen, wurden neben den fünf mit den Organismen arbeitenden Arbeitsgruppen (Hess, Marchfelder, Randau, Schmitz-Streit, Vogel) auch massenspektrometrische, strukturelle und bioinformatische Arbeitsgruppen (Backofen, Conti, Urlaub) integriert. In enger Zusammenarbeit, bei der die Gruppen miteinander kooperiert haben, wurden effektiv die Ziele erreicht, und die verschiedenen CRISPR-Cas Systeme I-A, I-B, I-D, I-F, II-C, III-A, III-B, III-D, IV mit Erfolg in folgenden Archaeen und Bakterien analysiert: Haloferax volcanii, Methanococcus maripaludis, Thermoproteus tenax, Methanopyrus kandleri, Methanosarcina mazei, Shewanella putrefaciens, Clostridium thermocellum, Synechocystis sp., Aromatoleum aromaticum, Neisseria meningitidis. Für mehrere Cas Proteine (Csa5, Csm3 und Cas7) und einen CRISPR-Cas Komplex (Typ I-Fv) konnten die Strukturen bestimmt werden. Außerdem wurde an der Klassifikation der Cas Protein und CRISPR-Cas Systeme mitgearbeitet, die von einem internationalen Konsortium durchgeführt wurde. Die crRNA Moleküle wurden eingehend in den verschiedenen bearbeiteten Systemen analysiert. In einem gemeinsamen Ansatz, an dem alle Arbeitsgruppen beteiligt waren, wurde zudem die Interaktion der Cas6 Proteine mit den crRNAs untersucht und zwischen den Systemen verglichen. Weiterhin wurden die Leader-, Spacer- und Repeat-Sequenzen der CRISPR RNAs eingehend untersucht. Die Interferenz-Reaktionen und Interaktionen mit der PAM Sequenz wurden analysiert. Zusätzlich konnte auf der Basis des CRISPR-Cas Systems eine Anwendung entwickelt werden. Zentrale bedeutende Entdeckungen waren z.B. die Beobachtungen, dass die Wirts-RNase E an der crRNA Reifung beteiligt ist, dass der Angriff des CRISPR-Cas Systems auf das eigene Genom in H. volcanii nicht letal ist und die Aufklärung der Struktur des Effektor-Komplexes des neu beschriebenen Typ IV. Zusammengefasst konnten eine Vielzahl an neuen wichtigen Daten zu neun verschiedenen CRISPR-Cas Systemen in zehn Organismen erhalten werden, die wesentliche Bedeutung für das gesamte CRISPR-Cas Forschungsgebiet haben.
