Het decoderen van de structuur van een op RNA gebaseerd CRISPR-systeem

Het decoderen van de structuur van een op RNA gebaseerd CRISPR-systeem

Onderzoekers van het Salk Institute ontdekken moleculaire details van een nieuwe tool voor genetische manipulatie

LA JOLLA - In de afgelopen jaren is CRISPR-Cas9 verder gegaan dan de laboratoriumbank en is het de publieke tijdsgeest binnengedrongen. Deze tool voor het bewerken van genen is veelbelovend voor het corrigeren van defecten in individuele cellen en mogelijk voor het genezen of voorkomen van veel menselijke aandoeningen. Maar het Cas9-systeem verandert DNA, niet RNA, en sommige experts zijn van mening dat het uiteindelijk net zo nuttig kan zijn om RNA te kunnen modificeren.

Nu rapporteren wetenschappers van het Salk Institute voor het eerst de gedetailleerde moleculaire structuur van CRISPR-Cas13d, een veelbelovend enzym voor opkomende RNA-bewerkingstechnologie. Ze konden het enzym visualiseren dankzij cryo-elektronenmicroscopie (cryo-EM), een geavanceerde technologie waarmee onderzoekers de structuur van complexe moleculen in ongekend detail kunnen vastleggen. De bevindingen werden op 20 september 2018 gerapporteerd in het tijdschrift Cel.

"Dit artikel biedt een moleculaire blauwdruk voor RNA-gerichte genetische manipulatie", zegt Salk-assistent-professor Dmitri Lyumkis, een structurele bioloog en een van de overeenkomstige auteurs van de studie. "Het draagt ​​bij aan de breedte van tools die nodig zijn voor het uitvoeren van dit soort cruciaal biomedisch onderzoek."

Afgeleid van genen die oorspronkelijk in bacteriën zijn gevonden, is CRISPR beschreven als "moleculaire schaar" of een "tekstverwerkingsprogramma voor levende cellen". Het verwisselt het ene segment van de genetische code met het andere. In het CRISPR-Cas9-systeem is Cas9 het enzym dat DNA knipt. Met bewerkingstools voor RNA zouden wetenschappers echter de activiteit van een gen kunnen wijzigen zonder een permanente - en mogelijk gevaarlijke - verandering in het gen zelf aan te brengen.

"DNA is constant, maar wat altijd verandert, zijn de RNA-berichten die van het DNA worden gekopieerd", zegt Salk Research Associate Silvana Konermann, een Howard Hughes Medical Institute Hanna Gray Fellow en een van de eerste auteurs van het onderzoek. "Het kunnen moduleren van die berichten door het RNA direct te controleren, heeft belangrijke implicaties voor het beïnvloeden van het lot van een cel."

Eerder dit jaar, Konermann en Helmsley-Salk-collega Patrick Hsu publiceerde nog een artikel in Cel het ontdekken van de familie van enzymen genaamd CRISPR-Cas13d en het rapporteren dat dit alternatieve CRISPR-systeem effectief was in het herkennen en knippen van RNA. Het team toonde ook aan dat dit hulpmiddel kan worden gebruikt om een ​​ziekteverwekkende eiwitonevenwichtigheid in cellen van een persoon met dementie te corrigeren.

De nieuwe studie, een samenwerking tussen de Lyumkis- en Hsu-labs, bouwde voort op de ontdekking van de Cas13d-familie en biedt de moleculaire details die verklaren hoe het werkt.

"In ons vorige artikel ontdekten we een nieuwe CRISPR-familie die kan worden gebruikt om RNA rechtstreeks in menselijke cellen te manipuleren", zegt Hsu, de andere overeenkomstige auteur van het nieuwe werk. “Nu we de structuur van Cas13d hebben kunnen visualiseren, kunnen we beter zien hoe het enzym naar het RNA wordt geleid en hoe het in staat is om het RNA te knippen. Deze inzichten stellen ons in staat om het systeem te verbeteren en het proces effectiever te maken, wat de weg vrijmaakt voor nieuwe strategieën om op RNA gebaseerde ziekten te behandelen.”

Het team gebruikte cryo-EM om nieuwe details in Cas13d te onthullen door het enzym in verschillende, dynamische toestanden te bevriezen, waardoor onderzoekers een reeks activiteiten konden decoderen in plaats van slechts één activiteit op een enkel moment te zien.

"Hierdoor konden we zien hoe Cas13d het RNA begeleidt, bindt en richt", zegt Cheng Zhang, een onderzoeksmedewerker in het Lyumkis-lab en de andere eerste auteur van het artikel. "We hopen dat deze nieuwe kennis zal helpen de kracht van hulpmiddelen voor het bewerken van genen uit te breiden."

Andere auteurs van het papier waren Nicholas J. Brideau en Peter Lotfy van Salk; Xuebing Wu van het Whitehead Institute for Biomedical Research; en Scott J. Novick, Timothy Strutzenberg en Patrick R. Griffin van The Scripps Research Institute.

Dit werk werd ondersteund door een Howard Hughes Medical Institute Hannah H. Gray Fellowship; een Helen Hay Whitney Foundation Fellowship; National Institutes of Health verleent NIH-NCI CCSG P30 014195, DP5 OD021369, DP5 OD021396 en U54GM103368; en de Helmsley Charitable Trust.