Bacteriofagen vallen bacteriecel aan

Zeven jaar geleden werd de CRISPR-methode van bacteriën omgezet in een genoombewerkingstechniek. Sommige bacteriën hadden nog iets anders : retrons, geheimzinnige pakketjes van DNA, RNA en eiwitten. Onderzoekers denken nu dat dat mogelijk een machtig wapen wordt  om het genoom van eencelligen te veranderen. Biologen hebben inmiddels uitgevonden dat die retrons, net als CRISPR, onderdeel vormen van het afweersysteem die bacteriën beschermen tegen bacterie-etende virussen: de fagen.Die retrons zouden besmette bacteriecellen aanzetten tot zelfvernietiging, om zo te voorkomen dat het virus zich vermeerdert. “Retrons zijn aardig efficiënt in genoombewerking”, zegt Rotem Sorek van het Israëlische Weizmanninstituut die mede de ontdekking deed. Retrons concurreren vooralsnog de CRISPR-methode niet, omdat die louter bij bacteriën werken.

In de jaren 80 vroegen bacterieonderzoekers zich af wat die talrijke stukjes DNA in een bodembacterie deden. Het probleem werd nog groter toen ze ontdekten dat dat enkelstrengig DNA verbonden was met RNA met een complementaire samenstelling. Uiteindelijk bedachten ze dat ‘omgekeerd’ trancriptase van RNA het DNA-spiegelbeeld had gemaakt en dat die drie (RNA, DNA en het enzym) een complex vormden. Die werden retrons genoemd en kwamen ook bij andere bacteriën voor. Niemand had enig idee waarvoor ze dienden.
Sorek kreeg een idee toen hij met collega’s 38 000 bacteriegenomen doorvlooide op genen die de bacteriofagen bestrijden. Die genen liggen vlak bij elkaar en zijn onderzoeksgroep maakte een computerprogramma dat op zoek kan gaan naar nog niet ontdekte afweersystemen naast CRISPR-genen en andere virusafweer. Een van de onderzoeksters ontdekte een gen dat codeert voor het reverse-transcriptase-enzym, geflankeerd door stukjes DNA die niet voor bekende bacterie-eiwitten codeerden. Bij toeval zag ze een artikel over retrons en toen viel het kwartje: die stukjes codeerden voor het RNA.

Vervolgens zagen de onderzoekers dat het DNA dat voor retroncomponenten codeert vergezeld werd door een eiwitcoderend gen, dat van retron tot retron verschilde. Dat bracht de onderzoekers op het idee dat het ging om een afweer tegen fagen. Al die drie componenten zijn nodig om virussen te verslaan. Het bleek dat een bepaald retron op de celwand van een besmette bacterie gaat zitten en daarvan de doorlaatbaarheid verandert. Het lijkt er op of het retron eerst een andere molecuulcomplex beschermt dat de eerste verdedigingslinie van bacteriën tegen virussen is. Sommige fagen deactiveren dat complex, waarna de retron in actie komt en de besmette cel vernietigt. Iets soortgelijks vond ook een groep rond Athanasios Typas van EMBL in Heidelberg. Ze vonden bij een Salmonella-bacterie naast de retrongenen een gen voor een voor Salmonella giftig eiwit. Dat wordt geactiveerd als er fagen in de buurt zijn.

Genoombewerking

Al voor die ontdekkingen wat retrons nu eigenlijk deden/waren, zijn er pogingen gedaan ze te gebruiken als genoombewerkers. Met de CRISPR-methode kun je wel knippen maar Cas9 zet de gewenste stukjes DNA er niet tussen. Een retron zou dat samen met de CRISPR-methode wel kunnen doen. Het reverse transcriptase maakt kopieën van de gewenste sequentie die vervolgens in het DNA-‘gat’ kan worden ingevoegd.

In 2018 introduceerde onderzoekers van het Hunter Fraser-lab van de Stanforduniversiteit een op retrons gebaseerde basebewerker CRISPEY. Ze maakten eerst retrons met RNA dat overeenkwam met gistgenen, maar waar een bouwsteen (een base) aan ontbrak. Die combineerden ze met gids-RNA van de CRISPR-methode om het spul naar de juiste plek op het DNA te leiden en de genschaar Cas9. Op de knipplaats wordt het door het retron gefabriceerde stukje gist-DNA ingevoegd. Met die methode hebben onderzoekers duizenden gistvarianten gemaakt die maar een base (DNA-bouwsteen) verschillen.

Onderzoekers worden steeds geestdriftiger over de retrons, maar beseffen ook dat er nog een hoop te leren is, dus dat voorzichtigheid geboden is.

Bron: Science