Bekanntlich injiziieren Bakteriophagen ihre DNA in das Plasma von Bakterienzellen, um die Zelle so umzuprogrammieren, dass diese neue Viren herstellt.
Im Laufe der Evolution haben sich die Bakterien aber an diese Gefahr angepasst. Sie haben Enzyme entwickelt, welche die Viren-DNA zerschneiden. Die Restriktionsendonucleasen beispielsweise zerschneiden eingedrungene Fremd-DNA an spezifsichen Basensequenzen (Palindromsequenzen). Die Restriktionsendonuclease Eco RI zerschneidet Fremd-DNA zum Beispiel in der Sequenz 3'-CTTAAG-5' zwischen den beiden Adenin-Nucleotiden. [1]
Das CRISPR-Cas-System der Bakterien ist dagegen viel raffinierter. Es könnte mit dem Immunsystem des Menschen verglichen werden. Unser Immunsystem hat ein Gedächtnis. Bakterien und Viren, die uns einmal infiziert haben, hinterlassen in bestimmten Zellen des Immunsystems eindeutige Spuren. Werden wir mit einem solchen Bakterium oder Virus erneut infiziert, kann das Immunsystem schnell reagieren und sofort passende Antikörper produzieren.
Wird eine Bakterienzelle von einem Virus infiziert, wird ein kurzer Abschnitt der Viren-DNA von bestimmten Enzymen herausgeschnitten und in sogenannte CRISPR-Sequenzen der Bakterien-DNA eingebaut. CRISPR ist die Abkürzung für "Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats". Darunter versteht man kurze palindromische DNA-Abschnitte, die durch kurze "normale" DNA-Abschnitte unterbrochen sind.
Die so eingebaute Viren-DNA kann dann zusammen mit einem Teil des CRISPR-Abschnitts transkribiert werden, es entsteht dann eine CRISPR-RNA.
Wird die Bakterienzelle erneut von dem gleichen Virus befallen, dient diese CRISPR-RNA quasi als Lotse für das Cas-Enzym, welches die Viren-DNA unschädlich macht. Die CRISPR-RNA setzt sich in das Cas-Enzym und leitet dann den CRISPR-Cas-Komplex zu den eingedrungenen Viren-DNA-Strängen. Die in der CRISPR-RNA enthaltene Viren-RNA paart sich dann mit der komplementären Viren-DNA, und das Cas-Enzym zerschneidet die Viren-DNA an dieser Stelle [2].
Das CRISPR-Cas-System wird seit einigen Jahren auch in der Gentechnik eingesetzt, um eukaryotische DNA an bestimmten Stellen zu zerschneiden und damit bestimmte Gene auszuschalten. An den Schnittstellen können auch neue Genabschnitte gezielt eingebaut werden. Nähere Einzelheiten dazu siehe "CRISPR-Cas9-Technik".
Quellen:
- Lexikon der Biochemie, Spektrum-Verlag, Artikel "Restriktionsendonucleasen".
- Max-Planck-Gesellschaft, Artikel "Natürliche Aufgaben von CRISPR-Cas"