So funktioniert die CRISPR/Cas-Methode: Beispiele zur Anwendung der Genschere
CRISPR bzw. CRISPR Cas9 ist – trotz des sperrigen Namens – eine absolut faszinierende Entdeckung. Eine Technik die gezielte Veränderung der DNA ermöglicht, also das gezielte Bearbeiten von Genen.
Die DNA bildet den Grundbaustein allen Lebens. Sie bestimmt nicht nur den Aufbau und Aussehen aller Lebewesen, sondern sie steuert auch viele biochemische Prozesse im Körper. Die Gesamtheit der DNA (das Genom) ist sozusagen die Gebrauchsanweisung, die aus jedem Menschen den Menschen macht, der er ist.
Inhalt
Was bedeutet die Abkürzung CRISPR?
CRISPR ist die Bezeichnung für eine spezielle Region auf dem bakteriellen Genom. Auf der DNA von Bakterien befinden sich Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats:
- Ansammlungen (Cluster),
- von kurzen (Short),
- palindromischen (Palindromic),
- DNA-Wiederholungen (Repeats)
- Mit regelmäßigen Abständen (Regularly Interspaced).
CRISPR ist also ein Ort auf der DNA von Bakterien mit kurzen DNA-Stücken, die du von rechts nach links oder von links nach rechts lesen kannst (Palindrome). Zwischen diesen Palindromen sind regelmäßig andere, kurze DNA-Stücke dazwischengeschaltet.
Palindrome sind Worte, wie Anna oder Otto. Sie ergeben immer den gleichen Sinn, vorwärts und rückwärts gelesen. Die DNA besteht nur aus vier Buchstaben: A, C, G und T. Eine palindromische Sequenz wäre z.B. ATTCCTTA.
Was hat das mit der gezielten Veränderung von DNA zu tun?
Diese DNA-Abschnitte (CRISPR) sind Teil einer äußerst raffinierten Methode von Bakterien, sich gegen Viren zur Wehr zu setzen. Aber der Reihe nach.
Viren befallen Bakterien
Viren sind eine Bedrohung für alle Organismen, selbst für Bakterien. Viren (sogenannte Bakteriophagen) docken außen an die Zellen der Bakterien an. Dann injizieren sie ihre DNA. Diese DNA der Viren wird in die DNA der Bakterien eingebaut und zwingt das Bakterium dazu, die Proteine für das Virus zu produzieren. Die gesamte Maschinerie der Bakterienzelle ändert sich.
CRISPR – 1. Schritt: Spacer-Akqurierung
Die Bakterien sind nicht schutzlos. Durch das CRISPR Systeme können sie verhindern, dass das Virus sie ein zweites Mal infiziert. Wenn der Virus das Bakterium befällt und ihm seine DNA injiziert, schneiden Enzyme des Bakteriums ein kleines Stück aus der Viren-DNA heraus. Dieses Stück bauen sie an einer ganz bestimmten Stelle in ihrer DNA ein, im CRISPR Abschnitt.
Das kleine Stück DNA der Virus-DNA wird von dem Bakterium in seine DNA neben ein Palindrom eingebaut. Die kurzen DNA-Stücke zwischen den Palindromen sind also kurze Stücke der Virus-DNA. So prägen sich Bakterien den Erreger ein. Jeder weitere Virus der gleichen Art wird die gleiche DNA aufweisen und kann zielgerichtet erkannt werden. Dieser erste Schritt heißt Spacer-Akqurierung.
CRISPR – 2. Schritt: Transkription
Jetzt wird das Bakterium ein zweites Mal von dem gleichen Virus befallen. Das Bakterium merkt die erneute Anwesenheit der Virus-DNA. Es reagiert. Einer der beiden DNA-Stränge des Virus Genom – das im CRISPR-Abschnitt hinterlegt wurde – wird jetzt transkribiert. Klingt kompliziert, aber es heißt ganz einfach: Das hinterlegte Stück Virus -DNA wird minutiös abgeschrieben.
Diese abgeschriebene DNA ist kein Doppelstrang mehr, sondern ein Einzelstrang. Sie heißt Messenger-RNA oder mRNA (Botschafter-RNA). Dieses kurze Stück mRNA enthält ein oder zwei Gene, die sich exakt so auf der neu eingedrungenen Virus-DNA befinden. Es ist die perfekte Methode, das Virus wiederzuerkennen.
Das Palindrom wird übrigens auch abgeschrieben. Zusätzlich kommt ein zweites Molekül ins Spiel. die TracrRNA. Beides spielt für uns aber keine Rolle. Das ganze Stück mit Informationen über das Virus heißt jetzt crispr RNA (crRNA). Wichtig ist nur, dass dieser kleine Strang dem Bakterium die perfekte Möglichkeit gibt, die feindliche Virus DNA zu finden. Dieser zweite Schritt heißt Transkription und Prozessierung.
CRISPR – 3. Schritt: Interferenz
Der kleine Strang (die crRNA) bindet jetzt an ein ganz spezielles Enzym, das Cas9. Trifft dieser Komplex jetzt auf frisch eingedrungene Virus-DNA, so erkennt der Strang crRNA den – ihm entsprechenden – Abschnitt auf der Virus-DNA wieder.
Die crRNA bindet sich daraufhin an die Virus-DNA. Das Enzym Cas9 bricht die Virus-DNA auf und schneidet die beiden Stränge exakt an derselben Stelle durch. So wird der Virus unschädlich gemacht, der Angriff ist abgewehrt. Dieser dritte Schritt heißt Interferenz.
Die Vorteile dieser Technik
- Sie ist auch in höheren Organismen (in Zellen mit Zellkern) einsetzbar. Ursprünglich stammt das CRISPR-System aus Bakterienzellen, aber mit einem modifizierten Cas9 Protein funktioniert es in allen Organismen .
- Sie ist universell einsetzbar. Forscher können jetzt die DNA an jeder beliebigen Stelle schneiden. Denn nur der kleine Strang crRNA bestimmt, wo das Enzym Cas9 schneidet. Forscher können im Labor jede Sequenz, jedes Gen als kleinen Strang crRNA herstellen. Zusammen mit dem Enzym Cas9 wird dann in jeder DNA genau diese Sequenz, genau dieses Gen, herausgeschnitten.
- Sie ist extrem genau. CRISPR ist sozusagen eine Art molekularer Schere, die die ganze lange DNA entlang fährt und spezielle Stellen findet. Dort macht diese molekulare Schere kleine Einschnitte, schneidet exakt einzelne Gene heraus und schaltet sie so ab (Gen Knockout).
- Sie ist simpel und preiswert. Obwohl CRISPR äußerst präzise arbeitet, ist es nicht teuer in der Herstellung. Die crRNA ist sehr leicht herzustellen.
CRISPR erklärt am Beispiel einer Maus
Eine Maus hat ein krankmachendes Gen, Gen 1. Wie wird dieses dauerhaft ausgeschaltet, bzw. durch ein gesundes Gen ersetzt? Voraussetzung ist natürlich, dass bekannt ist, wie Gen 1 aussieht und dass eine Mutation in Gen 1 für eine bestimmte Krankheit verantwortlich ist.
Im Embryonalstadium besteht der Mausembryo für sehr kurze Zeit aus einigen, wenigen Zellen. Diese Zellen sind pluripotente embryonale Stammzellen. Eine pluripotente Stammzelle kann sich zu jeder Art von Zelle im Körper entwickeln: Neuronenzellen, Leberzellen, usw.
Eine Embryonenstammzelle wird in einer Petrischale in einem entsprechenden Medium kultiviert. Dann entstehen viele embryonale Stammzellen. In jeder Zelle ist das komplette Genom der Maus – also auch das kranke Gen 1.
Um dieses Gen auszuschalten, benötigen Forscher eine crRNA, die ein Stück aus Gen 1 enthält, um Gen 1 zu erkennen. Forscher können diesen kurzen Strang relativ einfach im Labor designen. Wenn Gen 1 sehr kurz ist, designen Forscher einfach das komplette Gen.
Neben der crRNA benötigen Forscher das Cas 9 Enzym. Wenn das kranke Gen nicht nur herausgeschnitten werden soll, sondern durch ein gesundes Gen 1 ersetzt wird, muss das gesunde Gen 1 ebenfalls vorher designt werden.
Wie bekommen wir all diese Bestandteile in die Embryonenstammzelle?
Wissenschaftler haben eine brillante Methode entwickelt, um all diese Komponenten auf einmal in die embryonale Stammzelle zu bekommen. Sie designen ein Plasmid. Ein Plasmid ist ein ringförmiges Stück DNA.
In dieses Plasmid verpacken Forscher alle Komponenten.
- Eine speziell designte DNA sodass die crRNA gebildet werden kann.
- Die DNA für das Enzym Cas 9 (dieses wird in der Embryonalzelle fertiggestellt).
- Die DNA für ein gesundes Gen 1.
Das Plasmid schleusen Forscher in die embryonale Stammzelle. Die Zelle baut die verschiedenen Komponenten, die wir für die Technik benötigen, zusammen. Das Enzym Cas9, das dann mit der entsprechenden crRNA eine funktionierende Einheit bildet, sowie ein gesundes Gen 1,
Die crRNA bindet sich dann an seine entsprechende Sequenz in Gen 1. Das Enzym Cas9 führt den Doppelstrangbruch der Maus-DNA aus. Das kranke Gen 1 wird zerschnitten und entfernt.
Bei einem glatten Doppelstrangbruch kann das gesunde Gen 1 problemlos eingebaut werden. Der DNA-Strang der Maus ist wieder intakt. Das kranke Gen1 wurde entfernt und durch ein gesundes ersetzt. Jetzt kann eine gesunde Maus heranwachsen.
Wer hat die Crispr/Cas9 Methode entwickelt?
2020 erhielten die Forscherinnen Emmanuelle Charpentier (FRA) und Jennifer Doudna (USA) den Nobelpreis für Chemie des Jahres für die Entdeckung der Genschere Crispr/Cas9. 2011 entdeckte Charpentier das Enzym Cas9, mit dem sich Bakterien gegen Viren verteidigt. Zusammen mit Jennifer Doudna Carpentier untersuchte sie den Mechanismus und modifizierte das Enzym Cas9, so dass es jedes beliebige DNA-Molekül an jeder gewünschten Stelle zerschneidet.
Wo lässt sich die Crispr/Cas9 Methode anwenden?
CRISPR ist ein zweifellos ein revolutionäres Werkzeug, um das Genom zu bearbeiten. Die Angst vor etwas Neuem sollte uns nicht den Blick auf das große Potenzial dieses Werkzeugs verstellen. Für nicht-therapeutische Zwecke (Stichwort Designer-Babys) sollte CRISPR nicht verwendet werden. Die Menschen, die es betrifft, sind noch gar nicht da. Sie können nicht zustimmen oder ablehnen.
Aber die Medizin ist noch überhaupt nicht auf dem Stand, dass sie Augenfarbe oder Körpergröße festlegen kann. Denn viele Eigenschaften sind sehr komplex in der DNA festgelegt. Und die Wissenschaft kennt nicht jedes einzelne Gen oder die regulatorischen Mechanismen.
Wir können CRISPR aber verwenden, um besser zu verstehen, wie unsere Gene zusammenhängen und in Beziehung stehen. Wissenschaftler hoffen, Gene für zahlreiche Krankheiten zu entdecken und zu lokalisieren (Autismus, Krebs, Viren). Die Begeisterung für diese Technik ist ebenso groß wie die Bedenken – insbesondere seit ein chinesischer Wissenschaftler 2018 verkündete, er habe erstmals gezielt das Erbgut zweier menschlicher Embryonen verändert.
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