CRISPR-Fähigkeiten erweitern sich durch neue antivirale Aktivität

Erweiterung des Potenzials von CRISPR – Was ist CRISPR und warum es wichtig ist

Seit seiner Entdeckung hat CRISPR („Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats“), das den Nobelpreis für Chemie 2020 gewann, die Medizin und Biotechnologie revolutioniert.

Quelle: Nobelpreis

Das liegt daran, dass CRISPR die erste Methode zur Genbearbeitung ist, die ein sehr präzises Anvisieren einer bestimmten genetischen Sequenz ermöglicht und damit genetische Fehler entweder in vitro oder in vivo korrigieren kann, ohne das Risiko unerwünschter Mutationen.

Das ist wichtig, da ungerichtete Geneinfügungen mit gravierenden Problemen in Verbindung gebracht wurden, insbesondere mit Krebsrisiken, was ihre therapeutische Anwendung schwierig und umstritten macht.

CRISPR kann auf verschiedene Weise eingesetzt werden, um ein bereits vorhandenes Gen zu unterbrechen, eine bestimmte Sequenz zu löschen oder die richtige genetische Sequenz zu editieren/einzufügen.

Quelle: CRISPR Therapeutics

Dies wurde zu einem medizinischen Durchbruch mit der FDA-Zulassung für die erste CRISPR-basierte Therapie im Jahr 2023, entwickelt von CRISPR Therapeutics (CRSP ) für genetische Bluterkrankungen (Folgen Sie dem Link für einen speziellen Bericht über CRISPR Therapeutics).

Allerdings ist die vom Menschen gesteuerte präzise Genbearbeitung nicht das, wofür CRISPR in der Natur verwendet wird. Es ist in erster Linie ein antivirales Werkzeug, das Bakterien zum Überleben von Virusangriffen einsetzen.

Und es scheint nun, dass CRISPR noch vielseitiger ist als bisher angenommen, da es den Zellstoffwechsel modifizieren und die virale Replikation blockieren kann. Diese Entdeckung wurde von fünf Forschern der Rockefeller University und des Memorial Sloan Kettering Cancer Center gemacht.

Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in der renommierten Fachzeitschrift Science¹ unter dem Titel „Cat1 bildet Filamentnetzwerke, um NAD+ während der Typ‑III‑CRISPR‑Cas‑antiviralen Reaktion abzubauen“.

Natürliche Ursprünge von CRISPR in Bakterien

Die meisten Bakterien stehen ständig unter der Bedrohung spezialisierter Viren, die sie angreifen, sogenannte Bakteriophagen (wörtlich „Bakterienfresser“).

Aus diesem Grund werden diese Phagen derzeit auf ihr Potenzial hin untersucht, „lebende Antibiotika“ zu bilden, die die meisten zunehmenden Antibiotikaresistenzen umgehen könnten.

Jede CRISPR‑genetische Sequenz, die in einem einzelnen bakteriellen CRISPR gefunden wird, stammt von einem DNA‑Fragment eines Bakteriophagen, der das Prokaryot oder einen seiner Vorfahren zuvor infiziert hatte.

Diese Sequenzen werden verwendet, um DNA ähnlicher Bakteriophagen bei nachfolgenden Infektionen zu erkennen und zu zerstören, wodurch eine Art „erworbene Immunität“ gegen Phagen entsteht. CRISPR kommt in etwa 50 % der sequenzierten bakteriellen Genome vor.

Angesichts der weiten Verbreitung von CRISPR‑Systemen und ihrer Bedeutung gegen Virusinfektionen oder Bakterien ist es vielleicht nicht überraschend, dass sie weitere antivirale Eigenschaften besitzen.

CRISPR kann Viren blockieren, indem es die Zellfunktion stoppt

CRISPR als kollektives Immunsystem der Bakterien

Weitere Aktivitäten von CRISPR‑Systemen neben den „genetischen Scheren“ werden zunehmend besser verstanden, insbesondere dank der Arbeit des Laboratory of Bacteriology der Rockefeller‑Universität, geleitet von Prof. Luciano Marraffini.

Quelle: Amacad

Sie konzentrierten sich besonders auf eine Klasse von Molekülen in CRISPR‑Cas10‑Systemen, die als CARF‑Effektoren bezeichnet werden und Proteine sind, die bei einer Phageninfektion eines Bakteriums aktiviert werden.

CARF‑Effektoren verfolgen unterschiedliche Ansätze, um dasselbe Ziel zu erreichen: die zelluläre Aktivität zu stoppen. Da die DNA‑Replikation und die Proteinproduktion in den infizierten Zellen stoppen, hört auch die Virusproduktion auf.

“Die kollektive Arbeit unserer Labore zeigt, wie effektiv – und zugleich anders – diese CARF‑Effektoren sind. Die Bandbreite ihrer molekularen Aktivitäten ist ziemlich erstaunlich.”
Prof. Luciano Marraffini – Rockefeller’s Laboratory of Bacteriology

Dieser Effekt schützt indirekt alle anderen Bakterien in der Umgebung und ist in seinen Prinzipien letztlich dem NK‑Lymphozyten des Immunsystems von Säugetieren (Natural Killer) ähnlich, die infizierte Zellen (und Krebszellen) abtöten, um die Virusverbreitung zu stoppen.

Cat1‑Protein: Der Schlüssel zu CRISPRs neuem Trick

Wie bei vielen jüngsten Biotech‑Entdeckungen halfen fortschrittliche KI‑Tools den Forschern, die Nadel im Heuhaufen zu finden. In diesem Fall war es ein Tool namens Foldseek, ein Suchprogramm, das auf Googles (GOOGL ) AlphaFold‑Tool basiert, um die 3‑D‑Konfiguration von Proteinen vorherzusagen.

Anstatt Proteinsequenzen zu vergleichen, vergleicht Foldseek deren 3‑D‑Struktur, wodurch die Chance steigt, funktionell ähnliche Proteine zu finden, selbst wenn sie eine andere Aminosäuresequenz besitzen. Foldseek reduziert die Rechenzeiten um vier bis fünf Größenordnungen im Vergleich zu früheren Methoden.

Quelle: ResearchGate

Mit Foldseek fanden die Forscher ein Protein, das wahrscheinlich ein CARF‑Effektor ist und das sie Cat1 nannten, welches ein sehr präzises Aktivierungssystem aufweist.

Dieses Protein wird durch sekundäre Botenmoleküle, die zyklisches Tetra‑Adenylat (cA4) genannt werden, auf das Vorhandensein eines Virus aufmerksam gemacht. Anschließend veranlasst es Cat1, einen essentiellen Metaboliten der Zelle, NAD+, abzubauen.

“Sobald eine ausreichende Menge NAD+ gespalten ist, tritt die Zelle in einen Wachstumsarrestzustand ein.

Da die zelluläre Funktion pausiert, kann der Phage nicht mehr replizieren und sich auf die restliche Bakterienpopulation ausbreiten.”

Christian Baca – TPCB‑Promotionsstudent.

Was die Struktur von Cat1 offenbart

Wie so oft führen mehr wissenschaftliche Entdeckungen auch zu neuen Fragen.

Bei der Untersuchung der tatsächlichen Struktur von Cat1 stellten die Forscher fest, dass sie eine ungewöhnliche Form hat.

Doppelte Kopien von Cat1 werden durch das cA4‑Signal­molekül zusammengehalten, bilden bei einer Virusinfektion lange Filamente und fangen die NAD+‑Metaboliten in klebrigen molekularen Taschen ein. Sie bildeten sogar komplexere Strukturen auf zellulärer Ebene.

“Die Filamente interagieren miteinander, um trigonal spiralförmige Bündel zu bilden, und diese Bündel können sich dann zu pentagonal spiralförmigen Bündeln ausdehnen,”
Puja Majumder – Postdoktorandin im Patel‑Labor

Quelle: Rockefeller’s Laboratory of Bacteriology

Könnten diese antiviralen Tricks beim Menschen funktionieren?

Die sehr komplexe und breite Palette antiviraler Fähigkeiten von CRISPR‑Systemen in Bakterien wirft die Frage auf: Könnte das auch beim Menschen funktionieren?

Dies ist natürlich bereits ein diskutiertes Konzept, insbesondere weil Viren immer noch viel schwieriger zu bekämpfen sind als Bakterien, für die Antibiotika (nach wie vor meist) wirksam sind.

Eine solche Möglichkeit wäre die Genom-Editierung zur Behandlung chronischer Virusinfektionen wie HIV, SARS‑CoV‑2 und Hepatitisviren. Viren wie Pocken und Affenpocken könnten ebenfalls auf diese Weise behandelt werden.

Dieses tiefere Verständnis der CRISPR‑Systeme könnte zudem helfen, Funktionen hinzuzufügen oder Nebenwirkungen bestehender CRISPR‑basierter Gentherapien zu reduzieren, wodurch sie zu noch besseren therapeutischen Werkzeugen werden.

Investitionen in CRISPR‑Technologien

CRISPR Therapeutics

Was CRISPR Therapeutics auszeichnet, ist das All‑Star‑Gründerteam, zu dem Dr. Emmanuelle Charpentier gehört, deren bahnbrechende Forschung die Schlüsselmechanismen der CRISPR‑Cas9‑Technologie aufdeckte.

Sie legte den Grundstein für die Nutzung von CRISPR‑Cas9 als vielseitiges und präzises Gen‑Editierungswerkzeug. Zahlreiche Auszeichnungen haben ihre Arbeit gewürdigt, darunter der Nobelpreis für Medizin 2020 und der Breakthrough Prize in Life Science.

CRISPR Therapeutics entwickelt eine effiziente und vielseitige CRISPR/Cas9‑Gen‑Editierungsplattform für Therapien zur Behandlung von Hämoglobinopathien, Krebs, Diabetes und anderen Krankheiten.

Die erste Therapie, die sie vorantrieben, war zur Behandlung der Bluterkrankungen β‑Thalassämie und Sichelzellanämie.

Sie wurden nun unter dem Handelsnamen Casgevy für beide Anwendungen zugelassen. Das erste allogene CAR‑T‑Programm des Unternehmens, das B‑Zell‑Malignome anvisiert, befindet sich ebenfalls in klinischen Studien.

Obwohl Sichelzellanämie ein Krankheitsbild mit einem vermutlich kleinen Markt ist, können sie nach Reifung der Technologie weitere Krankheitsvektoren anvisieren.

Als erstes Unternehmen mit einer zugelassenen CRISPR‑Therapie befindet sich CRISPR Therapeutics in einer guten Position, als erstes positive Cashflows aus der Technologie zu erzielen und deren Anwendungen weiter auszubauen.

Und diese herausragende Bilanz wird das Unternehmen wahrscheinlich zum bevorzugten Partner für andere Pharmaunternehmen machen, die im Bereich CRISPR‑Therapien aufholen wollen.

Neueste CRISPR Therapeutics (CRSP) Aktiennachrichten und Entwicklungen

Studie Referenziert:

^{1. Christian F. Baca et al. Cat1 bildet Filamentnetzwerke, um NAD+ während der Typ‑III‑CRISPR‑Cas‑antiviralen Reaktion abzubauen. Science 10 Apr 2025. DOI: 10.1126/science.adv9045}