CRISPR/Cas9 – Bakterien revolutionieren die Molekularbiologie

Was genau steckt hinter dem Akronym CRISPR/Cas9? Die Geschichte von diesem heute ausserordentlich bedeutenden Werkzeug der Molekularbiologie begann im Jahre 1987 als der japanische Molekularbiologe Yoshizumi Ishino in der DNA von E. coli Bakterien kurze DNA-Sequenzen fand, die sich immer in regelmässigen Abständen wiederholten. Zu diesem Zeitpunkt wusste die Forschungsgruppe um Ishino allerdings noch nicht, welche Funktion diese Sequenzen haben oder gar welches Potential sich in ihnen verbirgt, aber der Grundstein für die Entwicklung von CRISPR/Cas9 – eines der heute wichtigsten Werkzeuge der Molekularbiologie ­– war gelegt.

Bakteriophage

Bakteriophagen – auch einfach Phagen genannt – sind nichts anderes als Viren, die Bakterien infizieren und wurden erstmals im Jahr 1917 beschrieben. Bild: CanStockPhoto

Viele DNA-Sequenz-Wiederholungen – Viele Fragen der Wissenschaftler

Nach der Entdeckung von Ishino in E. coli Bakterien im Jahre 1987, fanden Forscher wenige Jahre später auch in Mycobacterium tuberculosis, dem Erreger der menschlichen Tuberkulose, solche kurze, sich wiederholende DNA-Sequenzen. Bis zur Jahrtausendwende wurden dann von Forschern rund um den Globus immer mehr Bakterienarten gefunden, die ähnliche Eigenschaften aufwiesen. Im Jahre 2002 wurde erstmals die Abkürzung "CRISPR" (ausgesprochen Krisper) benutzt, um diese Sequenzen zu benennen. Das Akronym "CRISPR" steht für Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats; zu Deutsch etwa kurze, palindromische Wiederholungen in regelmässigen Abständen.

Zwar wussten Wissenschaftler zu diesem Zeitpunkt bereits einiges über den Aufbau dieser DNA-Abschnitte, beispielsweise dass sie zwischen 23 und 47 Basenpaare lang sind und immer in einem Abstand von 21 bis 72 Basenpaaren vorkommen, aber ihre eigentliche Funktion war immer noch unklar. Im Jahr 2005 entdeckte man, dass die Sequenzen zwischen den CRISPR-Abschnitten, die sogenannten Spacer, identisch mit Abschnitten von Phagen-DNA sind. Erst im Jahre 2007 konnte dann ein Forscher-Team aus den USA zeigen, dass Bakterien diese Spacer-Abschnitte als Vorlage benutzen, um Phagen zu erkennen.

Bakterielle Immunabwehr

CRISPR/Cas9 verleiht dem Bakterium adaptive Immunität

CRISPR/Cas9 verleiht dem Bakterium adaptive Immunität. Links: Wird das Bakterium von einem Phagen infiziert, wird ein Stück der Phagen-DNA in die bakterielle DNA eingefügt. Spacer 1, 2, 3 stellen DNA-Stücke von verschiedenen Phagen dar, die durch CRISPR-Sequenzen voneinander getrennt sind. Rechts: Die Spacer werden zu RNA transkribiert und bilden mit Cas9 einen Komplex. Bei einer Neuinfektion wird die Phagen-DNA schnell erkannt und zerschnitten. Bild: Guido4/Wikimedia Commons, CC-Lizenz

Infizierte Bakterien können einen Teil der DNA des Phagen in die CRISPR-Bereiche ihres Erbguts integrieren und so gegen das entsprechende Virus resistent werden. Es handelt sich also um eine Art Immunsystem der Bakterien. Zudem zeigte die Gruppe um Barrangou, dass man auch künstlich Sequenzen der DNA von Bakteriophagen in die CRISPR-Region eines Bakteriums einfügen kann, um das Bakterium resistent zu machen, ohne dass das Bakterium mit dem Virus direkt in Kontakt war. Entsprechend verschwand auch die Resistenz wieder, wenn man die Phagen-DNA aus dem Bakterium entfernte.

Wie dieser Mechanismus der Immunität genau funktioniert, ist noch unbekannt. Es wird aber angenommen, dass bei einer Neuinfektion mit einem Phagen, die Spacer dazu dienen die fremde DNA zu erkennen, welche dann von einem Enzym wie Cas9 geschnitten und somit unschädlich gemacht wird.

Vererbbare Resistenz

Diese erworbene Immunität gegen bestimmte Phagen kommt nicht nur dem einzelnen Bakterium zugute, sondern kann bei der Zellteilung weitergegeben werden, da sie im Erbgut eingebaut ist. Somit können also erworbene Eigenschaften – nämlich die Resistenz gegen einen spezifischen Bakteriophagen – direkt weitervererbt werden; etwas was bis zu dem Zeitpunkt in der Natur kaum beobachtet worden war.

Zwanzig Jahre nach der ersten Entdeckung von CRISPR-Sequenzen in E. coli-Bakterien wurde also auch die Funktion dieser Abschnitte sowie zum Teil der Mechanismus der darauf basierenden bakteriellen Immunabwehr aufgedeckt. Dieser Mechanismus wurde zum Grundstein der Entwicklung der CRIPSR/Cas-Methode, mit der das Genom verschiedener Organismen  gezielt verändert werden kann. Mehr über CRISPR/Cas als gentechnisches Werkzeug findest du im Artikel "CRISPR/Cas als molekularbiologische Methode: Wie funktioniert sie?".

Verwirrende Bezeichnung

CRISPR bezeichnet nicht die Phagen-DNA-Sequenzen, die das Bakterium in sein eigenes Genom einbaut. Diese Abschnitte nennt man vielmehr "Spacer". Der Begriff CRISPR bezeichnet die Abschnitte zwischen den Spacern.

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