Wie ein CRISPR-Protein neue Tests für viele Viren liefern könnte
Ein kürzlich entdecktes Protein, das als eine Art Mehrzweck-Selbstzerstörungssystem für Bakterien fungiert und in der Lage ist, einzelsträngige RNA, einzelsträngige DNA und doppelsträngige DNA abzubauen, stellt eine Premiere für das als CRISPR bekannte genetische Instrumentarium dar. Mit seiner Fähigkeit, so viele Arten von genetischem Material anzugreifen, birgt die Entdeckung das Potenzial für die Entwicklung neuer kostengünstiger und hochempfindlicher Heimdiagnosetests für eine Vielzahl von Infektionskrankheiten, darunter Covid-19, Grippe, Ebola und Zika, so die Autoren einer neuen Studie in der Zeitschrift Nature.
In dieser Abbildung, die auf kryo-elektronenmikroskopischen Aufnahmen basiert, öffnet ein Cas12a2-Protein eine DNA-Doppelhelix und kann so die einzelnen DNA-Stränge (blau und grün) durchtrennen.
Jack Bravo/University of Texas at Austin
Mithilfe einer hochauflösenden Bildgebungstechnik, der so genannten Kryo-EM, entdeckte das Team, dass, wenn dieses Protein mit dem Namen Cas12a2 an eine bestimmte Sequenz des genetischen Materials eines potenziell gefährlichen Virus, die so genannte Ziel-RNA, bindet, ein Seitenteil von Cas12a2 ausschwenkt und eine aktive Stelle freilegt, ähnlich wie ein aufgesprengtes Springmesser. Dann beginnt die aktive Stelle, wahllos jedes genetische Material zu schneiden, mit dem sie in Kontakt kommt. Die Forscher entdeckten, dass mit einer einzigen Mutation des Cas12a2-Proteins die aktive Stelle nur einzelsträngige DNA abbaut - eine Eigenschaft, die besonders nützlich für die Entwicklung neuer Diagnostika ist, die auf ein breites Spektrum von Viren zugeschnitten sind.
Ein Test, der auf dieser Technologie basiert, könnte theoretisch die besten Eigenschaften von PCR-basierten Tests, die genetisches Material eines Virus nachweisen (hohe Empfindlichkeit, hohe Genauigkeit und die Fähigkeit, eine aktive Infektion zu erkennen), mit den besten Eigenschaften von Schnelltests für die Heimdiagnose (kostengünstige Herstellung ohne spezielle Laborausrüstung) kombinieren. Außerdem wäre er leicht an jedes neue RNA-Virus anpassbar.
"Wenn morgen ein neues Virus auftauchen würde, müsste man nur sein Genom herausfinden und dann die Leit-RNA im Test ändern, und schon hätte man einen Test dagegen", so David Taylor, außerordentlicher Professor für molekulare Biowissenschaften an der University of Texas in Austin und Mitautor der neuen Studie.
Für eine derartige Diagnose müsste man noch gesondert arbeiten und wahrscheinlich eine Speichel- oder Nasenprobe eines Patienten entnehmen, die mit dem modifizierten Cas12a2-Protein des Teams, dem Stück Leit-RNA, das wie ein Fahndungsfoto zur Identifizierung eines bestimmten Virus wirkt, und einer fluoreszierenden Sonde gemischt wird, die aufleuchtet, wenn die einzelsträngige DNA geschnitten wird.
CRISPR ist der Name für eine Reihe von Werkzeugen, die natürlicherweise in Bakterien vorkommen, aber von Wissenschaftlern für den Einsatz in der Genbearbeitung angepasst wurden. Dies ist das erste CRISPR-Protein, das ein so breites Spektrum an genetischem Material abbauen kann.
"Cas12a2 ergreift im Grunde die beiden Enden der DNA-Doppelhelix und biegt sie sehr eng", so Jack Bravo, Postdoktorand an der UT Austin und Mitautor der Studie. "So springt die Helix in der Mitte auf und ermöglicht es dieser aktiven Stelle, die DNA-Stücke zu zerstören, die einzelsträngig werden. Dadurch unterscheidet sich Cas12a2 von allen anderen Systemen, die auf die DNA abzielen.
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