Bakterien nehmen recht leicht fremde DNA auf. Doch was des Klonierwütigen Freud‘, kann dem Bakterium zum Verhängnis werden. Manchmal kostet die Fremd-DNA nur zusätzliche Energie, im schlimmsten Fall aber das Leben: Nämlich dann, wenn ein Phage das Bakterium befällt und es auflöst.
Da sich Bakterien aber nicht sexuell fortpflanzen und ihr Erbgut nicht auf diesem Weg rekombinieren, stellt eingeschleuste DNA für sie eine willkommene Abwechslung dar – sowohl für das eigene Genom, als auch für das der Nachkommen. Gar keine fremde DNA aufzunehmen würde zwar vor Phagenbefall schützen, ist aber auch keine Lösung.
Verschiedene Abwehrmechanismen helfen Bakterien, sich vor unliebsamer Fremd-DNA zu schützen: Oberflächenstrukturen erschweren Phagen das Andocken, und Restriktionsenzyme zerschnipseln eingedrungene Nukleinsäuren. So weit, so unspezifisch – aber von Bakterien kann man auch nicht mehr erwarten.
Oder doch?
Was sonst nur höheren Tieren zugestanden wird, scheint es auch in Bakterien zu geben: ein adaptives Immunsystem. Jedoch ganz anders als bei Tieren, ganz ohne Immunzellen und Antikörper, sondern vielmehr auf DNA-Ebene.
Entdeckt wurden die entsprechenden DNA-Elemente in E. coli schon 1987, ohne dass man seinerzeit die Funktion erahnte. Jahre später wurden diese Elemente in weiteren Bakterien und Archaeen entdeckt und erhielten 2002 den klangvollen Namen CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats). Man findet sie in mehr als 40 Prozent der untersuchten Bakterien und in etwa 90 Prozent der untersuchten Archaeen.
Ein CRISPR-Locus besteht typischerweise aus mehreren, 23-47 bp langen direct repeats, die sich mit ähnlich langen oder etwas längeren Spacer-Regionen abwechseln. Die Repeats innerhalb eines Locus sind konserviert, allerdings quer durch das Reich der Bakterien und Archaeen unterschiedlich. Ein CRISPR-Locus kann bis zu 400 Repeats enthalten, aber in der Regel sind es nicht mehr als 50. Je nach Art gibt es unterschiedlich viele dieser Cluster: Den aktuellen Rekord hält Methanocaldococcus jannaschii mit 18 Loci. Ein einzelner Repeat besteht aus einer palindromischen Sequenz: In der transkribierten RNA können sich also stabile Sekundärstrukturen ausbilden.
Das Interessante sind jedoch die Spacer dazwischen: 2005 fanden drei Arbeitsgruppen unabhängig voneinander heraus, dass die Spacer-Regionen Homologien zu Plasmid-DNA und Phagen haben (J Mol Evol 2005, 60:174-182; Microbiology 2005, 151:653-63; Microbiology 2005, 151:2551-61). Handelte es sich um Überreste vergangener Infektionen?
2007 bestätigte sich die Theorie: Das Bakterium schleppt die Spacer nicht etwa seit Generationen als Überbleibsel der Evolution mit sich herum, sondern sie sind tatsächlich adaptiv. Wenn ein Phage das Bakterium befallen hat, entstehen im CRISPR-Locus neue Spacer, und zwar mit Phagen-homologen Sequenzabschnitten. Und dieser ergänzte Spacer vermittelt Immunität: Die gleichen Phagen konnten das Bakterium anschließend nicht mehr infizieren (Science 2007, 315:1709-12). Die neuen Spacer werden immer am gleichen Ende des CRISPR-Locus eingefügt – von der Reihenfolge der Spacer kann man also ein Stück weit auf die Krankheitsgeschichte des Bakteriums schließen.
Ganz ohne Proteine kommt das bakterielle Immunsystem allerdings nicht aus: Die Gene, die mit den CRISPR-Loci assoziiert sind, heißen logischerweise cas (CRISPR-associated).
Und wie funktioniert das ganze System? Vieles ist noch unklar, aber Einzelheiten sind bekannt: Erst wird der ganze CRISPR zu einer einzigen prä-RNA umgeschrieben: Repeat-Spacer-Repeat-Spacer-Repeat und so weiter. Dann zerschneiden Nukleasen (ein Produkt einzelner cas-Gene) die prä-RNA, und zwar jeweils in der Mitte eines Repeats. So bleiben einzelne Spacer mit kleinen flankierenden Stücken übrig: die CRISPR-RNAs oder crRNAs.
Die kleinen crRNAs dirigieren dann andere cas-Proteine zu entsprechenden Sequenzen fremder Nukleinsäuren – vermutlich erkennen sie sowohl DNA als auch RNA. Kürzlich zeigten Forscher, dass eine crRNA in E. coli den zu ihr komplementären Strang in einem eingedrungenen Plasmid erkennt, wenn das Plasmid als supercoiled dsDNA vorliegt. Die crRNA hat einen Proteinkomplex im Schlepptau, und eine Nuklease daraus verursacht dann einen Einzelstrangbruch. Die Plasmid-DNA entspannt sich, die Nuklease bewegt sich nach und nach das ganze Plasmid entlang, dröselt den Doppelstrang auf und baut die DNA ab (Molecular Cell 2012, 46:595-605).
Auch bei der Erstinfektion mit einem Plasmid oder Phagen scheinen cas-Proteine daran mitzuwirken, eine homologe Sequenz als neuen Spacer in den CRISPR-Locus einzufügen – aber wie genau der Prozess des Erkennens, Schneidens und Einfügens abläuft, ist noch weitgehend unklar.
Im Gegenzug versuchen die Phagen, dieser Immunantwort zu entgehen: Punktmutationen in den Sequenzen, die den Spacern homolog sind, schützen anscheinend vor einem sofortigen Abbau. In Biotopen, in denen Bakterien mit vielen CRISPR-Spacern leben, weisen die Phagen umfangreiche Genomumwandlungen im Vergleich mit anderen Populationen auf.
CRISPR sind also nützlich, und Bakterien geben sie häufig weiter: Codon-Präferenz oder GC-Gehalt im CRISPR-Locus unterscheiden sich von denen im restlichen Bakteriengenom, und die Phylogenie der CRISPR-Loci verschiedener Bakterien unterscheidet sich von der ihrer genomischen DNA. Beides sind Zeichen für horizontalen Gentransfer.
Wie praktisch: Ein adaptives Immunsystem wird im Genom festgelegt – so dass auch die Nachkommen davon profitieren.