Bacterieel DNA bevat bepaalde sequenties die vrijwel niet in bacteriofagen-DNA zitten. En dát is hoe het bacteriële immuunsysteem het verschil ziet, melden Israëlische onderzoekers in Nature.

Zulke bacteriofagen zijn virussen die bacteriën aantasten. Het bacteriële immuunsysteem, beter bekend als CRISPR/Cas, verzamelt korte sequenties uit die fagen en monteert ze in het eigen DNA, waar ze dienen als een soort geheugen. Ze worden telkens gekopieerd naar RNA, dat zich vanzelf hecht aan de overeenkomstige sequentie in soortgenoten van de desbetreffende faag. Waarna een Cas-eiwit die RNA’s opzoekt en het fagen-DNA ter plekke kapot knipt.

Het systeem is een paar jaar geleden ontdekt. Vervolgens bleek dat je er ook DNA van zoogdieren en zelfs mensen mee kunt verknippen, met synthetisch RNA als label in plaats van de bacteriële sequentiebibliotheek. Sindsdien is CRISPR/Cas uitgegroeid tot een van de belangrijkste gereedschappen binnen de genetica.

Maar hoe het in de oorspronkelijke bacterie precies werkt, was nog niet helemaal duidelijk. CRISPR grijpt in principe elk DNA, dat het tegenkomt. En het was dus een raadsel waarom de bacterie geen autoimmuunziekte oploopt doordat er ook stukken van zijn eigen DNA in de bibliotheek belanden.

Rotem Sorek en collega’s van het Weizmann-instituut in Rehovot denken nu te weten hoe het komt. Ze bestookten bacteriën niet met fagen maar met losse stukken ‘vreemd’ DNA in de vorm van plasmiden, die wat gemakkelijker waren te volgen. Inderdaad kwam het plasmiden-DNA ook in de CRISPR-collectie terecht, maar daarbij viel wel een duidelijke voorkeur op voor sequenties die door het bacteriële replicatiesysteem vaker dan gemiddeld werden gekopieerd.

Wat uiteindelijk, na nog een hele reeks aanvullende experimenten, heeft geleid tot een heel logische hypothese. CRISPR haalt zijn monsters niet zelf uit het DNA, maar maakt gebruik van dat replicatiemechanisme. Dat werkt niet perfect; soms breken tijdens het kopiëren beide strengen tegelijk. Op zulke momenten komt een reparatie-eiwit genaamd RecBCD in actie dat begint met het ‘wegknabbelen’ van de losse eindjes. En het zijn die losse eindjes die door CRISPR worden verzameld.

RecBCD houdt op met knabbelen (en start met uiteinden aan elkaar breien) op het moment dat het een zogeheten Chi-site tegenkomt, dat zijn acht basen in de volgorde GCTGGTGG. En in bacterieel DNA blijken die Chi-sites ongeveer 14 keer vaker voor te komen dan in fagen-DNA. Een breuk in dat fagen-DNA levert dus gemiddeld veel meer afvalmateriaal op dat in CRISPR kan worden ingebouwd, zodat het immuunsysteem vanzelf het overgrote deel van zijn capaciteit aan die fagen gaat wijden. Het eigen bacterie-DNA komt zo zelden aan de beurt dat de schade behapbaar blijft.

De faag is daarbij op twee punten extra in het aandeel. Ten eerste is zijn DNA er op ontworpen om zo vaak mogelijk te worden gekopieerd, zodat het aantal breuken navenant is en CRISPR nóg meer input krijgt. Ten tweede is fagen-DNA gewoonlijk ringvormig, net als bacterieel DNA, maar moet de faag de ring zelf doorknippen teneinde zijn DNA in lineaire vorm te kunnen inspuiten bij zijn prooi. RecBCD ziet het aankomen, denkt dat het gebroken DNA is en begint meteen weer te knabbelen…

bron: Weizmann Institute