CRISPR-Cas9 kreeg een aantal jaar geleden naamsbekendheid als knip-en-plaktool voor DNA. Sindsdien zijn er vele andere CRISPR-Cas-varianten gevonden die vrijwel allemaal hetzelfde doen: vreemd DNA in stukken knippen. Maar er is een uitzondering: type III CRISPR-Cas uit de bacterie Haliangium ochraceum knipt voornamelijk RNA. ‘Dat maakt het systeem bijzonder én raar’, zegt Raymond Staals, associate professor aan de Wageningen Universiteit. ‘RNA knippen om jezelf te verdedigen is eigenlijk heel stom, want virussen kunnen gewoon weer nieuw RNA maken van het oorspronkelijke DNA. Desondanks werkt het wel en het heeft lang geduurd voor we begrepen hoe dat kon.’

Staals onderzoekt het type III systeem al sinds 2011 en rond 2018 kwam het besef dat het systeem niet alleen RNA knipt, maar ook bepaalde signaalmoleculen maakt. ‘Bij het knippen van RNA komt ook een hele reeks signaalmoleculen vrij’, vervolgt Staals. ‘Dat was al even bekend, maar uit ons werk blijkt dat die signaalmoleculen een cascade aan reacties aan zetten die gelijkenissen vertoont met apoptose. En dát is heel interessant als we naar de toekomst kijken.’

Destroyer of Worlds

Voordat we speculeren over toepassingen, is het handig om te weten hoe die cascade aan reacties precies in elkaar steekt. Het begint, zoals gezegd, met het knippen van RNA. Staals legt uit: ‘Het CRISPR-Cas-systeem maakt vervolgens signaalmoleculen aan, waaronder cyclisch tri-adenosinemonofosfaat [cA₃, red.]. Die activeren dan een eiwitdomein dat verantwoordelijk is voor het aan- en uitschakelen van enzymactiviteit, het zogenoemde SAVED- of CARF-domein. Het eiwit wat we in onze studie hebben onderzocht, SAVED-CHAT, bindt dus ook deze signaalmoleculen. Het gevolg was dat meerdere SAVED-CHAT-filamenten aan elkaar gaan plakken.’

De gestapelde SAVED-CHAT-filamenten vormen een structuur die Staals en collega’s nog niet eerder hadden gezien. ‘Net als bij DNA-strengen gaan tegenovergestelde filamenten aan elkaar zitten; het wordt een soort DNA van eiwitten.’ De filamenten zorgen er dan weer voor dat SAVED-CHAT een actieve protease (eiwitknipper) wordt. ‘We dachten dat dat het dan wel zou zijn, maar het was niet het einde van het verhaal: SAVED-CHAT knipt specifiek maar één eiwit kapot, dat wij PCaspase noemden. PCaspase wordt daarna ook een protease, maar knipt op zijn beurt werkelijk álles kapot. We gaven het daarom de bijnaam “Destroyer of Worlds”, want dat is hetgeen wat de cel uiteindelijk doodt.’ Zelf heeft de bacterie hier natuurlijk niks aan, maar die offert zich als het ware op om de populatie te redden. ‘Je zou het een altruïstische daad kunnen noemen.’

Type III vs. Apoptose

Deze stapeling van protease-activaties is conceptueel identiek aan hoe apoptose (geprogrammeerde celdood) in eukaryote cellen werkt, legt Staals verder uit. ‘Apoptose werkt ook om kankercellen op te ruimen, dus we kijken heel voorzichtig of dat ook met deze cascade zou kunnen. Het grootste obstakel is daarbij dat de type III CRISPR-Cas wat ingewikkelder is dan Cas9.’ CRISPR-Cas9 laat één eiwit al het werk doen, maar bij type III zijn er zes eiwitten plus twee proteases in het spel. ‘In totaal acht eiwitten en dus ook acht genen, dat maakt het omslachtiger. Wat zou helpen is als we de cascade kunnen omvormen naar een één-eiwitsysteem, maar dat is echt nog heel ver weg en is bovendien niet het enige obstakel.’

Wat al wél mogelijk is met dit systeem is diagnostiek. Staals: ‘Als type III één RNA-stukje tegenkomt, worden er meerdere signaalmoleculen gemaakt, een grote signaalversterking dus. Bij Cas9 is er maar één gebeurtenis, bij type III wel duizend. Dit systeem doet iets wat geen enkel ander Cas-systeem doet.’ Zodoende hebben Staals en collega’s, waaronder eerste auteur Jurre Steens en co-auteur Stijn Prinsen, dit idee al ondergebracht in een spin-off, Scope Biosciences. ‘Zij zorgen voor de diagnostische assays en het genereren van een fluorescent signaal. We hoeven de proteases van het type III-systeem alleen nog te koppelen aan de bestaande technologie die Scope Biosciences heeft ontwikkeld en dan is onze diagnostische tool compleet.’

Afsluitend stelt Staals nog dat hij het fijn vindt dat ze de complete cascade hebben kunnen publiceren. ‘Vooral die kettingreactie vind ik echt prachtig. Veel groepen kiezen ervoor om zo’n onderzoek in stukjes te publiceren, maar ik wacht liever iets langer om zo’n verhaal dan compleet neer te zetten.’

Steens, J.A., Bravo, J.P.K., Salazar, C.R.P., et al. (2024) Science 383(6682), DOI: 10.1126/science.adk0378