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

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

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

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

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

Literatur
  • 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
  1. 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. 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. 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. 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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