Wer hat das Cas in CRISPR/Cas entdeckt?

#13 | Ruud Jansen und die Entdeckung von Cas

2002 bekommt CRISPR/Cas offiziell seinen Namen und der niederländische Molekularbiologe Ruud Jansen entdeckt, dass CRISPR und Cas zusammengehören. Trotzdem verlässt er am Ende frustriert die Grundlagenforschung.

von Marcus Anhäuser

25.04.2022

22 Minuten

2002 veröffentlicht der Molekularbiologe Ruud Jansen den Artikel, in dem er und seine Kollegen erstmals den Namen CRISPR/Cas vorstellen.

Dieses Kapitel gibt es auch im PDF- oder ePub-Format kostenfrei für Unterstützer. Download am Ende des Textes.

Jan van Embden ist Mitte der 1990er Jahre überzeugt, dass dieses eigenartige DNA-Muster aus repeat- und spacer-Sequenzen, das mehr als zwei Jahrzehnte später als CRISPR weltberühmt werden wird, etwas zu bedeuten hat. Seit Beginn der neunziger Jahre hat sich der niederländische Biochemiker und sein Team am staatlichen Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieu (RIVM) in Bilthoven bei Utrecht nun schon damit befasst (siehe das Kapitel „CRISPR, Tuberkulose und die Suche des Jan van Embden“). Sie wollen das DNA-Muster im Erbgut des Tuberkulose-Erregers Mycobacterium tuberculosis, das weltweit fast niemand kennt, als Werkzeug im Kampf gegen die tödliche Krankheit nutzen.

Eine solche Fragestellung drängt einem neugierigen Wissenschaftler wie van Embden zwangsläufig auch grundsätzlichere Fragen auf: Wieso gibt es solch ein ungewöhnliches DNA-Muster im Erbgut dieser Bakterien überhaupt? Woher kommt es? Wie entstand es? Was hat sich die Natur dabei gedacht?

Was genau ist eigentlich CRISPR/Cas?

Der Begriff CRISPR/Cas wird sehr breit verwendet. Die einen bezeichnen damit die berühmte Gen-Schere, die Jennifer Doudna und Emmanuelle Charpentier 2012 in Science vorgestellt und für die sie 2020 den Nobelpreis für Chemie bekommen haben.

Seit 2002 beschreibt der Begriff aber vor allem ein Immunsystem von Bakterien und Archaeen gegen Viren und andere eindringende genetische Elemente.

Die Gen-Schere ist von diesem Immunsystem abgeleitet und müsste genau genommen einfach nur Cas9 heißen (oder zumindest CRISPR/Cas9), weil das Enzym, das die Viren-DNA zerschneidet, das Protein Cas9 ist, an das eine spezifische RNA-Sequenz angehängt wird. Die Sequenz weist dem Protein den Weg an eine ganz bestimmte Stelle einer DNA-Sequenz, an der die „Schere“ dann die Sequenz zerschneidet. Diese RNA-Adresse kann sehr vielfältig von Forscherïnnen ausgewählt werden. Mittlerweile werden auch andere Proteine wie Cas12 oder Cas3 als Gen-Scheren eingesetzt.

Beim Immunsystem der Einzeller stammt diese Ziel-Sequenz aus dem CRISPR-Cluster, zusammengesetzt aus einem der spacer und einem Teil der benachbarten repeat-Sequenz. Der spacer wurde bei einem früheren Virenangriff aus einer Viren-Sequenz herausgeschnitten und im CRISPR-Cluster archiviert für künftige Angriffe genau dieser Virenart.

Auch wenn es sonst an van Embdens Institut um ganz praktische Anwendungen für die öffentliche Gesundheit geht, hat der erfahrene Niederländer schon immer ein großes Interesse an solchen grundlegenden Fragen, insbesondere zur Evolution. Er ist fasziniert von der Einzigartigkeit der neu entdeckten Struktur: „Diese Sequenzen unterschieden sich von all den anderen bekannten sich wiederholenden DNA-Elementen, da stellte sich einfach die Frage nach der biologischen Bedeutung“, schreibt mir van Embden heute, rund 25 Jahre später, als er mit seiner Frau in Coronazeiten in der Normandie im Sommerhaus festsitzt.

In den 1980er Jahren hatten DNA-Stücke, die sich im Erbgut x-fach wiederholen, noch den Nimbus von nutzlosem genetischem Müll, der sich im Laufe der Jahrmillionen einfach so ansammelt. Erst allmählich begreifen die Biologïnnen weltweit, dass solche Muster mit Funktionen verbunden sein können.

Karte der Niederlande, in der Utrecht und das nahe gelegene Bilthoven durch rote Punkte markiert sind. Ruud Jansen war um die Jahrtausendwende an der Universität Utrecht angestellt, arbeitete aber für die Arbeitsgruppe von Jan van Embden, der in Bilthoven saß. — Ruud Jansen war um die Jahrtausendwende an der Universität Utrecht angestellt, arbeitete aber für die Arbeitsgruppe von Jan van Embden, der in Bilthoven saß (erstellt mit Datawrapper).

Um der Funktion dieses Musters auf die Spur zu kommen, startet van Embden 1995 ein Forschungsprojekt und macht sich auf die Suche nach der Verbreitung des prägnanten repeat–spacer-Musters. Wenn es etwas Bedeutendes ist, so seine These, sollte es sich auch im Erbgut anderer Lebewesen finden lassen.

Van Embden setzt zuerst einen Studenten von der benachbarten Universität Utrecht auf das Thema an. Er soll die öffentlich zugänglichen Gen-Datenbanken nach dem Muster durchsuchen. „Das war keine einfache Aufgabe“, schreibt mir der heute 77-jährige Biologe. Nur allmählich füllen sich damals die Datenbanken wie die US-amerikanische GenBank oder die europäische EMBL Nucleotide Sequence Databank mit DNA-Sequenzen. 1995 wird zum ersten Mal überhaupt das Erbgut eines Lebewesens vollständig sequenziert: das Genom des Bakteriums Haemophilus influenzae, dessen Name auf den Umstand hinweist, dass man es einst irrtümlich für den Erreger der Grippe gehalten hatte.

Van Embdens Student bricht das Projekt indes nach fast zwei Jahren ab; warum auch immer, der Niederländer erinnert sich heute nicht mehr an den Grund.

Man kann in den Datenbanken nicht einfach einen Filter auswählen, der einem alle „CRISPR“-Sequenzen auswirft. Der spanische CRISPR-Pionier Francisco Mojica durchsucht in diesen Jahren – parallel zur Arbeit der Niederländer – noch händisch die Fachzeitschriften der kleinen Bibliothek seines Instituts an der Universität Alicante nach diesem eigenartigen repeat-Muster (siehe Kapitel „Francisco Mojicas ‚Salt Lovers‘ und der Beginn der CRISPR-Forschung (Teil 3)“). Später schreibt ihm der Student César Diez-Villaseñor ein Programm, das ähnliche Sequenzmuster per Computer findet. Es dauert Jahre bis Mojica eine Liste von 19 Einzellern zusammen hat, bei denen er das prägnante Muster im Erbgut nachweisen kann.

Vielleicht ist diese Aufgabe für van Embdens jungen Mitarbeiter schlicht zu anspruchsvoll, vielleicht hat er andere Gründe. Auf jeden Fall braucht van Embden nach dessen Ausscheiden eine erfahrenere Person für den Job.

Hier kommt Ruud Jansen ins Spiel.

Portrait von Ruud Jansen (rechts), damals an der Universität Utrecht, der die ersten Cas-Gene 2002 in einem Artikel im Fachmagazin Molecular Microbiology vorgestellt hat (Titelseite des Artikels links. Hintergrund grün.) — Ruud Jansen, damals an der Universität Utrecht, hat die ersten vier Cas-Gene entdeckt und die Namen 'CRISPR' und 'Cas' in seinem Artikel 2002 im Fachmagazin 'Molecular Microbiology' eingeführt (links: Titelseite des Artikels).

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Grafische Darstellung von DNA-Sequenzen, die sich wiederholen und CRISPR-repeats darstellen.. — CRISPR-repeats sind DNA-Abschntte, die sich wiederholen.

Grafische Darstellung von spacer-Sequenzen, die so lang sind wie repeat-Sequenzen, sich aber nicht wiederholen, weil jeder spacer einzigartig ist. Repeat und spacer-Sequenzen bilden einen CRISPR-Cluster — Spacer sind die gleichlangen DNA-Stücke zwischen repeat-Sequenzen. Jeder spacer hat eine einzigartige DNA-Sequenz.

Grafische Darstellung einer Bakterie oder eines Archaebakteriums, in dem ein CRISPR-Cluster aus repeat und spacer-Abschnitten, auf dem ringförmigen Chromosom liegt — Der CRISPR-Cluster findet sich auf dem Chromosom vieler Bakterien und fast aller Archaebakterien. Häufig gibt es mehrere Cluster.

Grafische Darstellung einer Bakterien- oder Archaeen-Zelle, in dem CRISPR/Cas auf dem ringförmigen Chromosom verzeichnet ist und herausvergrößert ist, um das Ensemble aus das-Genen, leader-Srquenz und CRISPR-Sequenz zu zeigen. — Der Komplex aus cas-Genen, leader-Sequenz und CRISPR-Cluster gehören zusammen, Ruud Jansen war der Erste, der dies erkannte und in seinem Artikel 2002 berichtete.

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Ein Ausschnitt einer alten Linkliste, die seid den 1990er jähren existiert, auf dem der Link zu PatScan durch eine Lupevergrößerung hervorgehoben ist. — Die Linkliste auf „Pedro's BioMolecular Research Tools“ weist Ruud Jansen zu PatScan, einem Werkzeug der Bioinformatik, mit dem er Muster in DNA-Seqenzen suchen kann.

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Portraits von Ruud Jansen (links) und Francisco Mojica (rechts) vor grünem Hintergrund. Darüber steht: „Es gab eine gesunde Konkurrenz zwischen Ruud Jansen und Francisco Mojica.“ — Ruud Jansen und Francisco Mojica waren die einzigen, die in der Anfangszeit CRISPR/Cas so intensiv erforschten. Anfangs wollten sie kooperieren, dann wurden sie zu Konkurrenten.

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Die Titelseiten und bibliographischen Angaben der beiden Jansen et al. Artikel, die 2002 erscheinen und zum Teil dieselben Ergebnisse berichten. — 2002 erscheinen gleich zwei Artikel von Ruud Jansen, die beide zum Teil dasselbe berichten. Der zweite Artikel in Molecular Microbiology präsentiert zum ersten Mal den Namen CRISPR/Cas und Jansen berichtet zusätzlich zur CRISPR-Liste aus dem ersten Artikel, dass er vier cas-Gene entdeckt hat.

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Die Säulengrafik zeigt die Zahl der Fachartikel in der Datenbank PubMed für den Begriff „CRISPR“ pro Jahr. Im ersten Jahr erschien nur ein Artikel (der von Ruud Jansen). Im Jahr 2021 sind es über 7000. — Seitdem der Name „CRISPR/Cas“ 2002 zum ersten Mal in Ruud Jansens Fachartikel erschienen ist, wurden mehr als 30.000 weitere Artikel (Stand: April 2022) zum Thema veröffentlicht. Vor allem nachdem die Gen-Schere Cas9 2012 von Doudna und Charpentier präsentiert wurde, steigt die Zahl der Arbeiten rasant.

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