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Anti-CRISPR-Proteine

Anti-CRISPR-Proteine (auch Acr-Proteine) sind Proteine, die einen adaptiven antiviralen Mechanismus von Bakterien und Archaeen hemmen, das CRISPR-Cas.

Eigenschaften

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Im Zuge der Koevolution von Bakterien und ihren Viren, den Bakteriophagen, wurden sowohl durch Bakterien Abwehrmechanismen gegen Bakteriophagen als auch Hemmstoffe von Bakteriophagen gegen bakterielle Abwehrmechanismen entwickelt.[1][2][3] Gegen CRISPR-Cas sind verschiedene Anti-CRISPR-Proteine in Bakteriophagen entstanden. Für eine vollständige Hemmung von CRISPR/Cas gibt es einen Schwellenwert der Dosis von Anti-CRISPR-Proteinen.[4] Tendenziell kommen Anti-CRISPR-Proteine häufiger in ruhenden als in virulenten Phagen vor.[5] Anti-CRISPR-Proteine hemmen CRISPR-Cas an verschiedenen Bindungsstellen.[6] In manchen Bakteriophagen werden gleichzeitig mehrere Anti-CRISPR-Proteine gebildet, die an unterschiedlichen Bindungsstellen hemmen.[3] Manche Anti-CRISPR-Proteine werden durch mobile genetische Elemente codiert.[7][8]

Bis 2018 wurden 22 unterschiedliche Proteinfamilien von Anti-CRISPR-Proteinen beschrieben, die untereinander nur eine geringe Homologie aufweisen.[3][9] Diese 22 Proteinfamilien können zwei Klassen zugeordnet werden.[3] Bis 2018 wurden Anti-CRISPR-Proteine gegen die Cas-Proteine der Untergruppen I-C,[7] I-D,[7] I-E (Anti-CRISPR-Proteine AcrE1 bis AcrE4),[3][7] I-F (Anti-CRISPR-Proteine AcrF1 bis AcrF10),[3][7] II-A,[7][10] II-C[7] und V-A beschrieben.[7][11]

Die Anti-CRISPR-Proteine AcrE1 bis AcrE4, AcrF1 bis AcrF10, AcrIIA1 bis AcrA5 und AcrIIC1 bis AcrIIC3 sind kurze Proteine von 52 bis 149 Aminosäuren.[3] Vermutlich sind Anti-CRISPR-Proteine auch an der Steuerung der Rekombination bakterieller DNA beteiligt.[12][13]

Die Datenbank Anti-CRISPRdb listet Anti-CRISPR-Proteine.[14]

Mechanismen

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Die Anti-CRISPR-Proteine AcrF1, AcrF2, AcrF10 und AcrIIA2 hemmen die Bindung von CRISPR/Cas an die Ziel-DNA, während AcrF3 den DNA-Bindungskanal von CRISPR/Cas blockiert.[3] AcrIIA4 ähnelt dem Protospacer Adjacent Motif und verhindert die Konformationsänderung der HNH-Proteindomäne von Cas.[3] AcrIIC1 bindet an die HNH-Domäne von Cas und blockiert das aktive Zentrum.[3] AcrIIC3 erzeugt eine Dimerisierung von Cas9 und verhindert eine DNA-Bindung.[3] Die Cas-Untergruppe I-F wird von allen bekannten Anti-CRISPR-Proteinen gehemmt.[15] Manche Anti-CRISPR-Proteine wirken gegen mehrere Untergruppen von Cas-Proteinen.[16]

Verwendung

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Die CRISPR/Cas-Methode basiert als biochemische Methode zum Genome Editing auf dem CRISPR-Cas. Daher wurde die Verwendung von Anti-CRISPR-Proteinen zur konditionalen Hemmung und somit zur zeitlichen, gewebsspezifischen oder zellzyklusabschnittsspezifischen Steuerung der CRISPR-Cas-Methode vorgeschlagen.[1] Da CRISPR/Cas DNA schneidet, solange es aktiv ist, kann eine zeitliche Begrenzung auch unspezifische Schnitte begrenzen, die zu unerwünschten Mutationen führen können.[1]

Beispielsweise werden Anti-CRISPR-Proteine zu einem gewünschten Zeitpunkt induziert[17] oder es werden Fusionsproteine von Anti-CRISPR-Proteinen mit lichtgesteuerten Proteinen zur zeitlichen Steuerung der Methode verwendet.[18] Die Kombination lichtsensitiver Proteine mit Anti-CRISPR-Proteinen ermöglicht eine Aktivierung von CRISPR-Cas nur während einer Bestrahlung mit Licht, beispielsweise die Kombination des Anti-CRISPR-Proteins AcrIIA4 (ein Hemmstoff von Cas9) mit dem lichtsensitiven Protein LOV2 aus Avena sativa (Saathafer).[18]

Geschichte

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Durch Bakteriophagen codierte Anti-CRISPR-Proteine wurden erstmals 2013 beschrieben.[19]

Literatur

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  • J. Wang, J. Ma, Z. Cheng, X. Meng, L. You, M. Wang, X. Zhang, Y. Wang: A CRISPR evolutionary arms race: structural insights into viral anti-CRISPR/Cas responses. In: Cell research. Band 26, Nummer 10, 09 2016, S. 1165–1168, doi:10.1038/cr.2016.103, PMID 27585537, PMC 5113301 (freier Volltext).

Einzelnachweise

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  1. ↑ a b c K. L. Maxwell: The Anti-CRISPR Story: A Battle for Survival. In: Molecular cell. Band 68, Nummer 1, Oktober 2017, S. 8–14, doi:10.1016/j.molcel.2017.09.002, PMID 28985512.
  2. ↑ S. Y. Stanley, K. L. Maxwell: Phage-Encoded Anti-CRISPR Defenses. In: Annual review of genetics. [elektronische Veröffentlichung vor dem Druck] September 2018, doi:10.1146/annurev-genet-120417-031321, PMID 30208287.
  3. ↑ a b c d e f g h i j k Y. Zhu, F. Zhang, Z. Huang: Structural insights into the inactivation of CRISPR-Cas systems by diverse anti-CRISPR proteins. In: BMC biology. Band 16, Nummer 1, März 2018, S. 32, doi:10.1186/s12915-018-0504-9, PMID 29554913, PMC 5859409 (freier Volltext).
  4. ↑ M. Landsberger, S. Gandon, S. Meaden, C. Rollie, A. Chevallereau, H. Chabas, A. Buckling, E. R. Westra, S. van Houte: Anti-CRISPR Phages Cooperate to Overcome CRISPR-Cas Immunity. In: Cell. Band 174, Nummer 4, August 2018, S. 908–916.e12, doi:10.1016/j.cell.2018.05.058, PMID 30033365, PMC 6086933 (freier Volltext).
  5. ↑ A. P. Hynes, G. M. Rousseau, D. Agudelo, A. Goulet, B. Amigues, J. Loehr, D. A. Romero, C. Fremaux, P. Horvath, Y. Doyon, C. Cambillau, S. Moineau: Widespread anti-CRISPR proteins in virulent bacteriophages inhibit a range of Cas9 proteins. In: Nature Communications. Band 9, Nummer 1, Juli 2018, S. 2919, doi:10.1038/s41467-018-05092-w, PMID 30046034, PMC 6060171 (freier Volltext).
  6. ↑ J. Bondy-Denomy, B. Garcia, S. Strum, M. Du, M. F. Rollins, Y. Hidalgo-Reyes, B. Wiedenheft, K. L. Maxwell, A. R. Davidson: Multiple mechanisms for CRISPR-Cas inhibition by anti-CRISPR proteins. In: Nature. Band 526, Nummer 7571, Oktober 2015, S. 136–139, doi:10.1038/nature15254, PMID 26416740, PMC 4935067 (freier Volltext).
  7. ↑ a b c d e f g h N. D. Marino, J. Y. Zhang, A. L. Borges, A. A. Sousa, L. M. Leon, B. J. Rauch, R. T. Walton, J. D. Berry, J. K. Joung, B. P. Kleinstiver, J. Bondy-Denomy: Discovery of widespread type I and type V CRISPR-Cas inhibitors. In: Science. Band 362, Nummer 6411, 10 2018, S. 240–242, doi:10.1126/science.aau5174, PMID 30190308.
  8. ↑ E. J. Sontheimer, A. R. Davidson: Inhibition of CRISPR-Cas systems by mobile genetic elements. In: Current Opinion in Microbiology. Band 37, Juni 2017, S. 120–127, doi:10.1016/j.mib.2017.06.003, PMID 28668720, PMC 5737815 (freier Volltext).
  9. ↑ A. L. Borges, A. R. Davidson, J. Bondy-Denomy: The Discovery, Mechanisms, and Evolutionary Impact of Anti-CRISPRs. In: Annual review of virology. Band 4, Nummer 1, 09 2017, S. 37–59, doi:10.1146/annurev-virology-101416-041616, PMID 28749735, PMC 6039114 (freier Volltext).
  10. ↑ B. J. Rauch, M. R. Silvis, J. F. Hultquist, C. S. Waters, M. J. McGregor, N. J. Krogan, J. Bondy-Denomy: Inhibition of CRISPR-Cas9 with Bacteriophage Proteins. In: Cell. Band 168, Nummer 1–2, Januar 2017, S. 150–158.e10, doi:10.1016/j.cell.2016.12.009, PMID 28041849, PMC 5235966 (freier Volltext).
  11. ↑ K. E. Watters, C. Fellmann, H. B. Bai, S. M. Ren, J. A. Doudna: Systematic discovery of natural CRISPR-Cas12a inhibitors. In: Science. Band 362, Nummer 6411, 10 2018, S. 236–239, doi:10.1126/science.aau5138, PMID 30190307, PMC 6185749 (freier Volltext).
  12. ↑ A. Pawluk, R. H. Staals, C. Taylor, B. N. Watson, S. Saha, P. C. Fineran, K. L. Maxwell, A. R. Davidson: Inactivation of CRISPR-Cas systems by anti-CRISPR proteins in diverse bacterial species. In: Nature microbiology. Band 1, Nummer 8, 06 2016, S. 16085, doi:10.1038/nmicrobiol.2016.85, PMID 27573108.
  13. ↑ A. Pawluk, A. R. Davidson, K. L. Maxwell: Anti-CRISPR: discovery, mechanism and function. In: Nature reviews. Microbiology. Band 16, Nummer 1, Januar 2018, S. 12–17, doi:10.1038/nrmicro.2017.120, PMID 29062071.
  14. ↑ C. Dong, G. F. Hao, H. L. Hua, S. Liu, A. A. Labena, G. Chai, J. Huang, N. Rao, F. B. Guo: Anti-CRISPRdb: a comprehensive online resource for anti-CRISPR proteins. In: Nucleic acids research. Band 46, D1Januar 2018, S. D393–D398, doi:10.1093/nar/gkx835, PMID 29036676, PMC 5753274 (freier Volltext).
  15. ↑ A. Pawluk, R. H. Staals, C. Taylor, B. N. Watson, S. Saha, P. C. Fineran, K. L. Maxwell, A. R. Davidson: Inactivation of CRISPR-Cas systems by anti-CRISPR proteins in diverse bacterial species. In: Nature microbiology. Band 1, Nummer 8, 06 2016, S. 16085, doi:10.1038/nmicrobiol.2016.85, PMID 27573108.
  16. ↑ L. B. Harrington, K. W. Doxzen, E. Ma, J. J. Liu, G. J. Knott, A. Edraki, B. Garcia, N. Amrani, J. S. Chen, J. C. Cofsky, P. J. Kranzusch, E. J. Sontheimer, A. R. Davidson, K. L. Maxwell, J. A. Doudna: A Broad-Spectrum Inhibitor of CRISPR-Cas9. In: Cell. Band 170, Nummer 6, September 2017, S. 1224–1233.e15, doi:10.1016/j.cell.2017.07.037, PMID 28844692, PMC 5875921 (freier Volltext).
  17. ↑ A. Pawluk, N. Amrani, Y. Zhang, B. Garcia, Y. Hidalgo-Reyes, J. Lee, A. Edraki, M. Shah, E. J. Sontheimer, K. L. Maxwell, A. R. Davidson: Naturally Occurring Off-Switches for CRISPR-Cas9. In: Cell. Band 167, Nummer 7, Dezember 2016, S. 1829–1838.e9, doi:10.1016/j.cell.2016.11.017, PMID 27984730, PMC 5757841 (freier Volltext).
  18. ↑ a b F. Bubeck, M. D. Hoffmann, Z. Harteveld, S. Aschenbrenner, A. Bietz, M. C. Waldhauer, K. Börner, J. Fakhiri, C. Schmelas, L. Dietz, D. Grimm, B. E. Correia, R. Eils, D. Niopek: Engineered anti-CRISPR proteins for optogenetic control of CRISPR-Cas9. In: Nature methods. Band 15, Nummer 11, November 2018, S. 924–927, doi:10.1038/s41592-018-0178-9, PMID 30377362.
  19. ↑ J. Bondy-Denomy, A. Pawluk, K. L. Maxwell, A. R. Davidson: Bacteriophage genes that inactivate the CRISPR/Cas bacterial immune system. In: Nature. Band 493, Nummer 7432, Januar 2013, S. 429–432, doi:10.1038/nature11723, PMID 23242138, PMC 4931913 (freier Volltext).
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