Von vielen Proteinen kennt man Funktionen, die sie nur mit einem Partner gemeinsam ausführen können. So ist für die Genom-Editierung ein Cas-Protein (z.B. Cas9) auf eine CRISPR-RNA (crRNA) angewiesen, um eine Zielsequenz zu finden und zu zerschneiden. In manchen Bakterien und Archaea findet man aber keine crRNAs, obwohl es Cas-Proteine gibt. Oder umgekehrt: Es gibt eindeutige CRISPR-Arrays mit crRNAs, aber keine Cas-Proteine. Man nennt diese Proteine oder crRNAs ohne Partner „Waisenkinder“ (engl.: „orphans“). Es gibt verschiedene Theorien, wie diese Orphans im Laufe der Evolution entstanden sind:
- Der Organismus hatte ursprünglich beide Partner. Irgendwann ging einer verloren und es gab deswegen keinen wesentlichen Selektionsnachteil. Vielleicht hatte das Bakterium einen anderen effektiven Weg gefunden, sich gegen Viren zu wehren. Man muss sich aber fragen, warum der eine Partner als Orphan erhalten geblieben ist – hat er eine neue Funktion übernommen?
- Der Organismus hatte kein CRISPR-Cas System und hat sich eine Komponente von einem anderen Mikroorganismus „geklaut“. Der Austausch von Genen zwischen verschiedenen Arten ist zwar auch bei Mikroorganismen sehr selten, wenn man jedoch die fast unvorstellbar großen Populationen und die schnelle Generationszeit (manche Bakterien teilen sich alle sieben Minuten!) berücksichtigt, dann sind auch seltene Ereignisse nicht so unwahrscheinlich.
- Man kann davon ausgehen, dass „unnütze“ Gene im Laufe der Evolution sehr schnell wieder verloren gehen. Es könnte sich bei einem „Orphan-Cas“ deshalb um ein sehr junges Evolutionsereignis handeln und das neu aufgenommene Gen wurde noch nicht wieder eliminiert.
- Oder das Cas-Gen (bzw. der CRISPR-Array) hat eine neue Funktion übernommen, die ohne den Partner auskommt.
Solche „Mysterien“ gehören zu den Forschungsprojekten unseres Schwerpunktprogramms: Gibt es andere Funktionen von CRISPR-Cas Komponenten, die nichts mit der Abwehr von Viren zu tun haben? Die Orphans sind ein guter Ansatzpunkt, um diese Frage zu beantworten.
Über die CRISPR-Cas Mysterien erzählt auch unser neuer Comic: CRISPR-Cas Mysterien – Teil 1