Nieuw onderzoek van Cornell biedt inzicht in een reeks CRISPR-systemen, die zouden kunnen leiden tot veelbelovende antivirale en weefselmanipulatiehulpmiddelen bij dieren en planten.

Het onderzoek van Ailong Ke, de Robert J. Appel hoogleraar moleculaire biologie en genetica aan het College of Arts and Sciences, en Stan J.J. Brouns van de Technische Universiteit Delft in Nederland, richt zich op een nieuw ontdekt CRISPR RNA-geleid Caspase-systeem, ook wel bekend als Craspase.

CRISPR-Cas-systemen zijn RNA-geleide nucleasen in bacteriën die virale DNA- of RNA-doelen op precieze locaties klieven om krachtige toepassingen voor genoombewerking mogelijk te maken. Caspasen zijn een familie van proteasen die de geprogrammeerde celdood bij dieren, inclusief mensen, beheersen. Een recente bevinding dat caspase-achtige eiwitten zouden kunnen associëren met CRISPR-Cas, heeft de wetenschappelijke gemeenschap geëlektrificeerd. Dergelijke CRISPR-geleide caspases kregen een nieuwe naam, Craspase.

"Aan de ene kant was deze associatie totaal onverwacht en wijst op nieuwe vormen van antivirale werking bij bacteriën," zei Ke. "Aan de andere kant zouden we een systeem als dit kunnen gebruiken om veel biotechnologische en therapeutische toepassingen te ontwikkelen, als we alle snufjes in deze machine begrijpen."

Het artikel van de onderzoekers over het onderwerp, "Craspase is a CRISPR RNA-guided, RNA-activated protease", werd op 24 augustus gepubliceerd in Science . Voor dit artikel gebruikten onderzoekers cryo-elektronenmicroscopie-snapshots van Craspase-systemen om uit te leggen hoe ze zich splitsen om RNA te targeten en protease-enzymen te activeren, die eiwitten kunnen afbreken.

"Deze snapshots leiden tot een high-definition moleculaire film," zei Ke. "Door het heen en weer te kijken, weten we precies hoe Craspase een RNA-doelwit identificeert, hoe dit op zijn beurt het protease activeert, hoe lang de activiteit aanhoudt en wat uiteindelijk de protease-activiteit afsluit. Ideeën beginnen binnen te stromen, over hoe haal kracht uit dit platform."

Mede-eerste auteur Chunyi Hu, een postdoctoraal medewerker in Ke's lab, zei dat er een enorme interesse was in het Craspase-systeem. "Veel concurrentie. Wij en onze Nederlandse medewerkers hebben onze krachten gebundeld en dag en nacht gewerkt om de puzzel op te lossen", zei Hu. "Het proces heeft een opwindend potentieel omdat de output van Craspase eiwit is in plaats van DNA-afbraak."

"Met andere CRISPR-technologieën maakt men zich zorgen of de enzymen die we gebruiken om ons DNA te bewerken, veilig genoeg zijn, of er sprake kan zijn van nevenschade of off-targeting," zei Ke. "Met Craspase kunnen we veel van dezelfde gunstige therapeutische resultaten bereiken zonder ons zorgen te maken over de veiligheid van ons genoom."

Het werk dat in de krant wordt gerapporteerd, helpt onderzoekers ook te begrijpen wat Craspase doet in bacteriecellen, zei Ke. "Het werk van onze medewerkers toonde aan dat het als een hoofdschakelaar is - de proteolytische splitsing veroorzaakt een cascade van gebeurtenissen in de bacteriecellen die hen waarschijnlijk uiteindelijk zal doden," zei Ke. "We hebben een gedeeltelijk antwoord in dit onderzoek. We onderzoeken het nog."

Dit recente onderzoek zal wetenschappers ook helpen de overeenkomsten te begrijpen tussen geprogrammeerde celdood in menselijke celroutes en hetzelfde proces in bacteriële celroutes.

"We realiseren ons dat dezelfde reeks proteasen (caspases) de geprogrammeerde celdoodroutes in beide koninkrijken van het leven beheersen," zei Ke. "Deze observatie onthulde hoe diepgeworteld dit pad is."

Naast het dieper ingaan op de functionele kant van dit proces, zei Ke, zal het team zich richten op de toepassingskant, waaronder weefseltechnologie bij dieren en landbouwtechnologie. "Ik hoop dat meer onderzoekers het potentieel van dit systeem zullen waarderen en meedoen", zei Ke. "We denken allemaal aan door CRISPR geleide nuclease als een hulpmiddel om genetische ziekten te genezen, maar door CRISPR geleide proteasen kunnen op een veel bredere manier gevolgen hebben voor de biologie." + Verder verkennen

Ontdekking biedt startpunt voor betere tools voor het bewerken van genen