Wissenschaftler entdeckten Fanzor-Proteine, die wie CRISPR funktionieren, aber kleiner und leichter in Zellen einzuschleusen sind, und nutzten sie zur Bearbeitung menschlicher DNA. Forscher haben ein neues Gen-Editierungssystem ähnlich CRISPR in komplexen Organismen entdeckt und damit erstmals gezeigt, dass DNA-modifizierende Proteine in allen Lebensbereichen existieren.
Feng Zhang, Biochemiker am Broad Institute of MIT und Harvard und am McGovern Institute for Brain Research am MIT, leitete das Team und war zuvor Mitentdecker des Gen-Editing-Potenzials des CRISPR-Cas9-Systems, das als eine Art „ molekulare Scheren.“ DNA-Abschnitte entfernen und so Gene ausschalten oder durch neue ersetzen lassen.
Vor dieser Entdeckung wurden solche Systeme nur in einfachen Organismen wie Bakterien und Archaeen gefunden, die sie als eine Art rudimentäres Immunsystem nutzen, um die DNA von Eindringlingen zu zerhacken. Die Forscher fanden ein neu entdecktes System namens Fanzor in Pilzen, Algen, Amöben und einer Molluskenart und erweiterten damit die Gruppen, von denen bekannt ist, dass sie diese genetischen Werkzeuge nutzen, erheblich.
Nachdem Zhang und seine Kollegen 2013 ihre erste Arbeit über CRISPR veröffentlicht hatten, begannen sie zu untersuchen, wie sich diese Systeme entwickeln. In dieser Arbeit identifizierte das Team eine Klasse von Proteinen in Bakterien namens OMEGAs, von denen man annimmt, dass sie frühe Vorfahren der Cas9-Proteine sind, der „Schere“ des CRISPR-Systems. Sie begannen zu vermuten, dass Fanzor-Proteine, eine Art OMEGA, auch DNA verändern könnten.
Wissenschaftler haben erstmals ein CRISPR-ähnliches System in komplexen Zellen entdeckt. ARTUR PLAWGO/SCIENCE FOTOBIBLIOTHEK
Das Team durchsuchte Online-Datenbanken nach Proteinen und war überrascht, mehrere davon in Proben zu finden, die aus Pilzen, Protozoen, Arthropoden, Pflanzen und Riesenviren isoliert wurden. Zhang sagte, die Idee sei, dass die Gene, die zur Herstellung von Fanzor-Proteinen benötigt werden, durch einen Prozess, der als horizontaler Gentransfer bekannt ist, von Bakterien in komplexe Organismen übertragen wurden. Die Gene, die für Fanzor-Proteine kodieren, wurden in das Genom eukaryotischer Organismen in transponierbaren Elementen integriert, das heißt als DNA-Fragmente, die sich im Genom bewegen und replizieren können.
Bei Experimenten entdeckten die Forscher, dass Fanzor-Proteine einige Ähnlichkeiten mit CRISPR aufweisen. Fanzor-Proteine interagieren auch mit Guide-RNA, einem Molekül, das Proteine zur zu schneidenden DNA leitet. Dieses Molekül namens OmegaRNA ergänzt den Ziel-DNA-Strang. Wenn sie übereinstimmen, werden die beiden Teile miteinander verbunden und Fanzor kann dann die DNA schneiden.
Das Team testete Fanzors System an menschlichen Zellen, stellte jedoch zunächst fest, dass es beim Hinzufügen oder Entfernen von DNA-Fragmenten relativ unwirksam war und den Vorgang in etwa 12 % der Fälle erfolgreich abschloss. Nach einigen kreativen Eingriffen zur Verbesserung und Stabilisierung des Systems konnten die Forscher den Wirkungsgrad jedoch auf knapp über 18 % steigern.
Fanzor wird wahrscheinlich die CRISPR-Technologie ergänzen, die sowohl in der Forschung als auch bei experimentellen Behandlungen für Krankheiten wie Blindheit und Krebs eingesetzt wird. Im Vergleich zu CRISPR „sind Fanzor-Systeme kompakter und haben daher das Potenzial, leichter in Zellen und Gewebe eingeführt zu werden“, sagte Zhang, und sie sind weniger anfällig für den zufälligen Abbau benachbarter RNA oder DNA – sogenannte Off-Target- oder Off-Target-Systeme Off-Target-Effekte. Dies macht Fanzor für den Einsatz in der Gentherapie attraktiv.