Charakterisierung von CRISPR-Cas-Systemen ohne Abwehrfunktion

• Antragsteller: Professor Dr. Chase Beisel
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 405891106

CRISPR-Cas-Systeme sind weithin anerkannt als adaptive prokaryotische Immunsysteme, die genetisches Fremdmaterial über einen RNA-basierten Mechanismus erkennen und beseitigen. Neueste Ergebnisse legen jedoch nahe, dass CRISPR-Systeme abseits ihrer eindimensionalen Definition als Immunsystem weitere Funktionen in der Genregulation und Immunevasion ausüben könnten. Nach wie vor unklar ist allerdings, über welches natürliche Funktionsrepertoire CRISPR insgesamt verfügt und welchen übergeordneten Einfluss diese Funktionen auf die Physiologie und das Verhalten prokaryotischer Lebensformen hat.Bisher konnten wir zeigen, dass die häufigsten natürlich vorkommenden CRISPR-Cas-Systeme vom Typ I durch Ausschalten der Endonuklease Cas 3-Aktivität leicht in Transkriptionsrepressoren überführt werden können. Basierend auf dieser Erkenntnis nehmen wir an, dass Typ I CRISPR-Cas-Systeme möglicherweise auch in der Natur ähnliche Funktionen ausüben. Unser systematisches Screening prokaryotischer Genome auf CRISPR-Arrays mit Zielsequenzen im eigenen Genom, führte zur Identifizierung eines hoch aussichtsreichen Kandidaten: dem Pflanzenpathogen Xanthomonas albilineans. Das Genom dieses Bakteriums enthält zwei vollständige Typ I-CRISPR-Cas-Systeme, jeweils eines vom Typ I-C und vom Typ I-F, die für insgesamt 64 Spacer mit Zielsequenzen im eigenen Bakteriengenom kodieren. Weitere Untersuchungen zeigten, dass nahezu alle dieser Zielstrukturen von sogenannten Protospacer-benachbarten-Motiven (PAM) flankiert werden. Darüber hinaus scheint die Cas3-Endonuklease im I-C-System funktionsunfähig zu sein.Diese ersten Ergebnisse legen nahe, dass die CRISPR-Cas-Systeme dieses landwirtschaftlich bedeutsamen Pathogens bisher unbekannte Funktionen als Transkriptionssupressoren ausüben und damit bedeutenden Einfluss auf die Regulation einer Bandbreite zellulärer Prozessen haben könnten.Ziel des vorliegenden Antrags ist es, die Eigenschaften der beiden CRISPR-Systeme in X. albilineans zu charakterisieren. Wir gehen davon aus, dass beide Systeme funktionell exprimiert werden und die Transkription ihrer Zielsequenzen durch das Fehlen der Cas3-Aktivität regulieren. Um diese Annahmen zu belegen, möchten wir uns folgenden Schwerpunkten widmen:1.:Untersuchung der durch die Ausrichtung auf das eigene bakterielle Genom (self-targeting) verursachten Auswirkungen der beiden vorliegenden CRISPR-Cas-Systeme unter Verwendung eines zellfreien Transkriptions-Translationsystems.2.: Bestimmung des Expressionsmusters und der Funktion beider CRISPR-Cas-Systeme in X. albilineans.Das vorliegende Projekt hat das unbedingte Potenzial, neuartige Funktionen von CRISPR-Cas-Systemen aufzuklären, die über die Vermittlung einer adaptiven Immunität hinausgehen. Der designierte leitende Wissenschaftler (PI) verfügt über umfassende Erfahrung mit CRISPR-Cas-Systemen und Bakteriengenetik. Zudem stimmt die Ausrichtung des vorliegenden Projektantrags passgenau mit der Zielsetzung des SPP 2141 überein.

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