CRISPR-CAS, was ist das?

Die Prinzen sagen, das ist böse Gentechnik, andere finden viel lobende Worte.

CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) sind Abschnitte sich wiederholender DNA (repeats), die im Erbgut vieler Bakterien auftreten. Werden Bakterien von Viren befallen, so bauen erstere kleine Abschnitte viraler DNA in ihr Erbgut ein, um bei der nächsten Attacke den Eindringling schneller zu identifizieren und dessen DNA zu zerschneiden.

Die CRISPR/Cas- ist eine molekularbiologische Methode, um DNA gezielt zu schneiden und zu verändern (Genome Editing). Gene können mit dem CRISPR/Cas-System eingefügt, entfernt oder ausgeschaltet werden, auch Nukleotide in einem Gen können geändert werden. Aufgrund der einfachen Durchführung, der Skalierbarkeit hinsichtlich unterschiedlicher Zielsequenzen und der geringen Kosten wird die CRISPR/Cas-Methode zunehmend in der Forschung eingesetzt.

Die wissenschaftliche Grundlage zur Entwicklung der CRISPR/Cas-Methode wurde durch die Entdeckung und Erforschung der CRISPR-Sequenzen und des damit verbundenen CRISPR/Cas-Systems im Immunsystem verschiedener Bakterien gelegt. Die erste wissenschaftliche Dokumentation zur Entwicklung und zum Einsatz der Methode wurde 2012 durch eine Arbeitsgruppe um Emmanuelle Charpentier und Jennifer Doudna veröffentlicht. Die wissenschaftliche Fachzeitschrift Science erklärte die CRISPR-Methode zum Breakthrough of the Year 2015.

Das CRISPR/Cas-System ist ein präzises Instrument, das punktuelle Veränderungen der DNA (Genome Editing) an einer vorbestimmten Stelle im Genom ermöglicht.

3 Schritte
1. Ziel finden: Das CRISPR-System erkennt mit Hilfe der darin integrierten RNA (Guide-RNA) das jeweilige Ziel, eine bestimmte DNA-Sequenz, die „umgeschrieben“ werden soll. Die Guide-RNA und die DNA des Ziels passen genau zueinander.
2. Schneiden: Das an den CRISPR-Abschnitt gekoppelte Cas9-Protein schneidet den DNA-Doppelstrang genau an der vorbestimmten Stelle im Erbgut (Abb. oben). Dadurch entsteht ein „Doppelstrangbruch“.
3. Reparieren: Nun treten die zelleigenen Reparatursysteme in Aktion und fügen den durchtrennten DNA-Strang wieder zusammen. Dieses kann zufällig (nicht-homolog) oder gezielt (homolog) erfolgen. Bei der nicht-homologen Reparatur werden an der Bruchstelle einzelne DNA-Bausteine entfernt oder „falsch“ zusammengesetzt. Dadurch kann das betreffende Gen nicht mehr richtig abgelesen werden und ist somit nicht mehr aktiv (Abb. unten rechts). Bei der homologen Reparatur kann an der Bruchstelle ein neuer Gen-Abschnitt oder eine neue, leicht veränderte Variante einer kurzen DNA-Sequenz (Mutation) eingefügt werden.

Beide Elememte – CRISPR-RNA und das Schneideprotein Cas9 – werden synthetisch hergestellt und anschließend in eine Zelle eingeführt. Das kann mit bekannten Verfahren – bei Pflanzen etwa Transformation mit Agrobakterien – geschehen. Inzwischen ist es auch möglich, die betreffende DNA bzw. RNA direkt einzuführen.

Dieses System („programmierbare Gen-Schere“) funktioniert nicht nur in Bakterien, sondern grundsätzlich bei allen Organismen. Man kann damit jeden DNA-Strang an einer ganz bestimmten Stelle durchtrennen und im Zuge der anschließenden Reparatur einzelne DNA-Bausteine ausschneiden, austauschen oder auch neu einfügen. Mit Ausnahme der Integration einer neuen, längeren Gen-Sequenz entsprechen diese Reparaturvorgänge natürlichen Mutationen, wie sie zufällig bei jeder Vermehrung oder ausgelöst durch Strahlung oder chemische Substanzen stattfinden.

Im Vergleich zu anderen Genome Editing-Verfahren lässt sich das CRISPR/Cas-System viel einfacher, schneller und kostengünstiger herstellen. Es arbeitet weitaus präziser: Unbeabsichtigte Schnitte im DNA-Strang außerhalb der Zielregion sind selten und lassen sich weitgehend ausschließen. Zudem können mit CRISPR/Cas mehrere Genomveränderungen gleichzeitig durchgeführt werden (multiple Genommutationen).

CRISPR/Cas spielt in der Grundlagenforschung eine große Rolle, etwa um bisher wenig verstandene Genfunktionen aufzuklären. Inzwischen wird das System wegen seiner besonderen Vorteile auch in der Tier- und Pflanzenzüchtung eingesetzt. Einige Produkte sind schon weit entwickelt und stehen in den USA vor der Markteinführung. Dort wurden sie bereits als nicht-gentechnisch verändert eingestuft und unterliegen damit nicht der Gentechnik-Regulierung. Andere Länder außerhalb der EU wollen differenziert vorgehen: Einfache editierte Organismen ohne größere neu eingefügte DNA-Sequenzen bleiben unreguliert.

In Europa entschied dagegen der Europäische Gerichtshof (EuGH) im Juli 2018, dass alle mit Genome Editing-Verfahren erzeugte Pflanzen und damit auch solche, die mit Hilfe des CRISPR/Cas-Systems entwickelt wurden, unter die geltenden Gentechnik-Gesetze fallen. Ihre Verwendung, aber auch jede Freisetzung in die Umwelt müssen genehmigt werden, daraus hergestellte Lebens- und Futtermittel sind kennzeichnungspflichtig.

CRISPR-CAS, was ist das?

Typ-I CRISPR-complex (Cas, blau) mit gebundener Ziel-DNA (orange)

 

 

 

CRISPR-CAS, was ist das?

3 Schritte der Methode (siehe Text)

CRISPR-CAS, was ist das?

CRISPR-CAS, was ist das?

Oft genügt es, ein Basenpaar zu verändern, um entweder negative Eigenschaften zu deaktivieren oder neue positive zu initiieren. Auch das Einfügen von in anderen Arten vorhandenen Resistenzgenen ist möglich!

CRISPR-CAS, was ist das?

Cisgenetik ist eine Methode der Gentechnik, die nur innerhalb der Artgrenzen arbeitet. Beispiel: das Übertragen der Krautfäuleresistenzgene der Wildkartoffel auf die Kulturkartoffen!

CRISPR-CAS, was ist das?

So erzielte man früher neue Mutationen: Saatgut der zu verändernden Pflanzenart wurde mit Cobalt 60, einem intensiven Gammastrahler bestrahlt und dadurch tausende, unterschiedliche Mutationen erzeugt, darunter viele letale. Nach Aussaat musste in langwierigen Anbauversuchen versucht werden, eine neue Sorte mit gewünschten, neuen Eigenschaften zu finden. Problem hierbei war, dass durch den Cobaltbeschuss viele positive Eigenschaften zerschossen wurden. Jahrelang Methode der Wahl.

CRISPR-CAS, was ist das?

Klassische Kreuzungszüchtung mit der bekannten Problematik, dass man mit dem Einkreuzen von gewünschten Merkmalen auch unerwünschte mit bekam!

CRISPR-CAS, was ist das?

CRISPR-CAS, was ist das?

Emmanuelle Marie Charpentier (* 11. Dezember 1968 in Juvisy-sur-Orge, Frankreich) ist eine französische Mikrobiologin, Genetikerin und Biochemikerin.
Seit 2018 ist Charpentier Leiterin der „Max-Planck-Forschungsstelle für die Wissenschaft der Pathogene“ in Berlin, zuvor war sie seit 2015 Direktorin am Berliner Max-Planck-Institut für Infektionsbiologie. Mit ihren Erkenntnissen auf dem Gebiet der RNA-vermittelten Regulation durch das CRISPR/Cas-System hat Emmanuelle Charpentier die Grundlage für die Entwicklung einer Technik geschaffen, mit der gezielt Genveränderungen durchgeführt werden können (CRISPR/Cas-Methode, 2012 veröffentlicht mit Jennifer Doudna). Seit 2015 zählt sie Thomson Reuters aufgrund der hohen Zahl ihrer Zitationen zu den Favoriten auf einen Nobelpreis für Chemie

CRISPR-CAS, was ist das?

Jennifer A. Doudna Cate (* 19. Februar 1964 in Washington, D.C.) ist eine amerikanische Biochemikerin und Molekularbiologin an der University of California, Berkeley. Sie konnte mit wegweisenden Arbeiten zur Aufklärung komplexer Strukturen katalytisch wirkender RNA (sog. Ribozyme) beitragen. Daneben war sie an der Entwicklung der CRISPRi beteiligt. Seit 2015 zählt sie Thomson Reuters aufgrund der hohen Zahl ihrer Zitationen zu den Favoriten auf einen Nobelpreis für Chemie.