Ein neues Werkzeug für die Genmanipulation
Es ist eine sehr flexible Technik, mit der Forscher die Expression von Genen einfach verändern können, um ihre Funktion besser zu verstehen.
Was genau ist CRISPR?
CRISPR steht für Clustered Regularly-Interspaced Short Palindromic Repeats - ein unglaublich langweiliger Name für eine aufregende Technologie. Warum der langweilige Name? Es ist, weil, als sie in den späten 1980er Jahren in Bakterien entdeckt wurden, niemand wusste, was die kurzen Abschnitte der wiederholten DNA, die durch zufällige DNA-Sequenzen getrennt waren, waren. Sie waren nur ein seltsames Merkmal in der genomischen DNA einiger Bakterien.
Es dauerte fast 20 Jahre, bis Jennifer Doudna an der Universität von Kalifornien herausfand, dass diese Sequenzen Teile bestimmter viraler DNA, die die Bakterien infiziert hatte, entsprachen. Wie sich herausstellte, waren die CRISPR-Sequenzen eine Art Immunsystem für die Bakterien.
Wie funktioniert es?
Doudna und ihre Mitarbeiterin, Emmanuelle Charpentier, haben schließlich herausgefunden, dass Bakterien, die diese kurzen, sich wiederholenden DNA-Stücke haben, die mit der viralen DNA übereinstimmen, wenn sie mit einem Virus infiziert werden, RNA produzieren , die an die DNA des eindringenden Virus bindet.
Dann interagierte ein zweites Stück RNA, das aus der Zufalls-DNA hergestellt wurde, die die CRISPR-Wiederholungen trennte, mit einem Protein namens Cas9. Dieses Protein würde die Virus-DNA spalten und das Virus inaktivieren.
Die Forscher erkannten schnell, dass sie diese Fähigkeit von CRISPR nutzen können, um bestimmte DNA-Sequenzen zu zerlegen, um Gene auszulöschen.
Während es andere Techniken gibt, wie Zinkfinger-Nukleasen und TALENS, die verwendet werden können, um spezifische Stellen in genomischer DNA zu zielen und zu schneiden, beruhen diese Ansätze auf sperrigen Proteinen, um die Veränderungen zu spezifischen Regionen in der DNA zu erreichen. Es ist schwierig, eine Modifikation in großem Maßstab mit vielen Genen unter Verwendung dieser früheren Ansätze zu entwerfen und durchzuführen.
Was macht es so nützlich?
Das CRISPR-System beruht nur auf zwei kurzen RNA-Stücken: eines, das mit der Ziel-DNA-Region übereinstimmt, und ein zweites, das an ein Protein namens Cas9 bindet. Tatsächlich stellt sich jedoch heraus, dass diese beiden kurzen RNA-Stücke zu einem Doppelfunktions- Single-Guide- RNA-Molekül kombiniert werden können, das sowohl eine spezifische DNA-Sequenz als auch das Cas9-spaltende Protein rekrutiert. Dies bedeutet, dass das Cas9-Protein und ein kurzes RNA-Stück, das 85 Basen lang ist, alles ist, was benötigt wird, um eine DNA an fast überall im Genom zu schneiden. Es ist relativ einfach, DNA einzuführen, um eine Single-Guide- RNA zu erzeugen, und das Cas9-Protein ist fast jede Zelle, die CRISPR herstellt, allgemein anwendbar.
Das bequeme Targeting ist jedoch nicht der einzige Vorteil der CRISPR-Technologie gegenüber anderen TALENS- und Zinkfingern. Das CRISPR-System ist auch viel effizienter als diese alternativen Ansätze.
Zum Beispiel fand eine Gruppe in Harvard heraus, dass CRISPR ein Zielgen in 51-79% der Fälle löschte, während die TALENS-Effizienz weniger als 34% betrug. Aufgrund dieser hohen Effizienz war eine andere Gruppe in der Lage, die CRISPR-Technologie zu verwenden, um Gene in embryonalen Mäusen direkt auszuschalten, um transgene Mäuse in einer einzigen Generation zu produzieren. Der Standardansatz erfordert einige Generationen der Zucht, um die Mutation in beiden Kopien eines Zielgens zu erhalten.
Was kann es sonst noch tun?
Zusätzlich zur Löschung eines Gens haben einige Gruppen auch erkannt, dass das System mit einigen Änderungen für andere Arten der genetischen Manipulation verwendet werden kann. Zum Beispiel zeigte eine Gruppe von MIT Anfang 2013, dass CRISPR verwendet werden könnte, um neue Gene in genomische DNA einzufügen. Kurz darauf verwendete eine Gruppe von UCSF eine modifizierte Version des Systems namens CRISPRi, um die Expression von Zielgenen in Bakterien zu unterdrücken.
In jüngerer Zeit hat eine Gruppe an der Duke University auch eine Variation des Systems zur Aktivierung von Gengruppen eingerichtet. Mehrere Gruppen arbeiten nun auch mit Variationen dieser Ansätze, um eine große Anzahl von Genen gleichzeitig zu untersuchen, um herauszufinden, welche an verschiedenen biologischen Reaktionen beteiligt sind.
Das glänzende neue Spielzeug der Gentechnik
Sicherlich gibt es große Begeisterung für dieses neue Werkzeug für die Gentechnik und den Ansturm, es für eine Vielzahl von Anwendungen anzuwenden. Es gibt jedoch noch einige Herausforderungen, die überwunden werden müssen, und wie es bei neuen Technologien oft der Fall ist, braucht es eine Weile, um herauszufinden, wo die Grenzen liegen. Forscher in Harvard zum Beispiel haben herausgefunden, dass das CRISPR-Targeting möglicherweise nicht so präzise ist, wie ursprünglich angenommen. Off-Target- Effekte des CRISPR-Komplexes können zu unbeabsichtigten Veränderungen bei der Veränderung der DNA führen.
Trotz der Herausforderungen hat CRISPR jedoch ein enormes Potenzial zur Erleichterung der Veränderung genomischer DNA gezeigt, das den Forschern helfen wird, schneller zu verstehen, wie die Zehntausende von Genen im menschlichen Genom funktionieren. Dies allein hat wichtige Auswirkungen auf die Verbesserung der Krankheitsbehandlung und -diagnose. Mit zusätzlicher Entwicklung kann die Technologie selbst für eine neuartige Art von Therapeutika nützlich sein. Es könnte einen neuen Ansatz für die Gentherapie bieten. Diese Fortschritte sind jedoch weit entfernt. Fürs Erste ist es nur aufregend, die rasante Entwicklung dieses neuen Forschungswerkzeugs zu beobachten und über die möglichen Experimente nachzudenken.
(Veröffentlicht: 30. September 2013)