Genomeditierung mit CRISPR/Cas9

Symbolbild Genomeditierung: CanStockPhoto

CRISPR/Cas9 (ausgesprochen Krisper-Kas) ist eine Methode, die in nur wenigen Jahren nicht nur die Gentechnik, sondern die Molekularbiologie im Allgemeinen einen Sprung nach vorne gebracht hat. Die Methode wird angewandt, um DNA an spezifischen Stellen zu verändern, man spricht dabei auch von Genomeditierung. Im Vergleich zu anderen Methoden zeichnet sich CRISPR/Cas9 durch die Einfachheit in der Handhabung und die grössere Präzision aus, was zur flächendeckenden Verbreitung dieser als Revolution betrachteten Methode führte.

Die Komponenten

Die Idee für diese Methode wurde von einem Immunabwehrmechanismus in Bakterien inspiriert (mehr dazu in "CRISPR/Cas9 – Bakterien revolutionieren die Molekularbiologie"). Die Methode verwendet zwei Werkzeuge, die miteinander gekoppelt sind: das Enzym Cas9 und einen RNA-Strang, der zu einer bestimmten DNA-Sequenz komplementär ist. Im Fachjargon spricht man von einer guide RNA oder einer single guide RNA (gRNA, sgRNA). Die Aufgabe von Cas9 ist die DNA-Doppelhelix zu entwinden und die DNA-Stränge zu durchtrennen, während die RNA dazu dient die Stelle an der DNA zu finden, die man editieren möchte.

Der Ablauf

Kommt CRISPR/Cas9 in den Zellkern, wandert es entlang der DNA, bis es ein sogenanntes PAM-Motiv gefunden hat. Es handelt sich dabei um eine Sequenz von drei Nukleotiden (NGG, wobei N jedes Nukleotid sein kann), die von Cas9 erkannt wird, was die Entwindung der Doppelhelix durch Cas9 auslöst. Passt die gRNA nicht zum nun zugänglichen DNA-Abschnitt, wandert der Komplex weiter. Sind dagegen die gRNA und der DNA-Abschnitt komplementär, binden sie aneinander, was die Schneidefunktion von Cas9 aktiviert. Das Enzym schneidet nun beide Stränge der DNA durch.

Dadurch entsteht ein Doppelstrangbruch, ein schwerwiegender Schaden an der DNA, den die Zelle sofort reparieren muss. Dafür verwendet sie ihr eigenes Reparatursystem und kittet die losen Strangenden wieder zusammen. Da dies sehr schnell geht, passieren manchmal Fehler: Eine oder mehrere Basen können fälschlicherweise entfernt bzw. hinzugefügt werden. Das bewirkt häufig, dass sich das Leseraster verschiebt und kein funktionales Protein hergestellt werden kann. Somit ist das Gen inaktiv. Es ist aber auch möglich eine DNA-Vorlage in die Zelle einzuführen, so dass die Zelle während der Reparatur diese verwendet und eine fremde DNA-Sequenz in ihre eigene DNA einbaut. (Mehr zur Methode in "CRISPR/Cas als molekularbiologische Methode: Wie funktioniert sie?")

Die Vorteile

Im Vergleich zu anderen Techniken, gilt CRISPR/Cas9 als besonders günstig, einfach, effizient und präzise. Ein grosser Vorteil ist, dass man nur die gRNA variieren muss, um verschiedene Gene anzusteuern. Bei anderen Techniken muss man dafür das entsprechende Proteinwerkzeug variieren, was viel aufwendiger ist. (Mehr zu den verschiedenen Methoden findest du in "Genomeditierung vor dem CRISPR/Cas-Zeitalter")

Die Ziele und Fragen

CRISPR/Cas9 wird inzwischen sowohl in der Grundlagenforschung als auch in der angewandten Forschung flächendeckend verwendet. Die Methode kann benutzt werden, um die Funktion von Proteinen zu untersuchen, sie kann das Züchten von neuen Pflanzensorten vereinfachen, bei der Bekämpfung von Parasiten helfen oder in der Gentherapie bei Menschen eingesetzt werden. (Mehr zu den Anwendungen gibt es in "CRISPR/Cas: Eine Methode, viele Anwendungen") Noch sind wenige Anwendungen marktreif bzw. zugelassen, aber die Zukunft scheint CRISPR/Cas9 zu gehören. Deswegen wird bereits rege über Risiken und Nutzen der Methode unter Einbezug ethischer Überlegungen diskutiert (s. auch "Die CRISPR/Cas-Methode: Fragen und Regeln").

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