Wissenschaft

Einführung in die CRISPR-Genom-Bearbeitung

Stellen Sie sich vor jeder genetische Krankheit zu heilen, zu verhindern Bakterien aus Widerstand gegen Antibiotika. alte Mücken , so dass sie nicht übertragen Malaria. Krebs zu verhindern oder erfolgreich Transplantation Tiere Organe in Menschen ohne Ablehnung. Die molekulare Maschinerie, um diese Ziele zu erreichen, ist nicht das Zeug eines Science-Fiction-Romans, der in ferner Zukunft spielt. Dies sind erreichbare Ziele, die durch eine Familie von DNA-Sequenzen ermöglicht werden, die als CRISPRs bezeichnet werden.

 

Was ist CRISPR?

CRISPR (ausgesprochen „knuspriger“) ist die Abkürzung für Clustered Regularly Interspaced Short Repeats, eine Gruppe von DNA-Sequenzen in Bakterien, die als Abwehrsystem gegen Viren fungieren, die ein Bakterium infizieren könnten. CRISPRs sind ein genetischer Code, der durch „Spacer“ von Sequenzen von Viren, die ein Bakterium angegriffen haben, aufgebrochen wird. Wenn die Bakterien erneut auf das Virus treffen, fungiert ein CRISPR als eine Art Speicherbank, die die Verteidigung der Zelle erleichtert.

 

Entdeckung von CRISPR

CRISPRs wiederholen DNA-Sequenzen. Andrew Brookes / Getty Images

Die Entdeckung von DNA-Cluster-Wiederholungen erfolgte unabhängig in den 1980er und 1990er Jahren durch Forscher in Japan, den Niederlanden und Spanien. Das Akronym CRISPR wurde 2001 von Francisco Mojica und Ruud Jansen vorgeschlagen, um die Verwirrung zu verringern, die durch die Verwendung verschiedener Akronyme durch verschiedene Forschungsteams in der wissenschaftlichen Literatur verursacht wird. Mojica vermutete, dass CRISPRs eine Form der bakteriell erworbenen Immunität waren. 2007 hat ein Team unter der Leitung von Philippe Horvath dies experimentell überprüft. Es dauerte nicht lange, bis Wissenschaftler einen Weg fanden, CRISPRs im Labor zu manipulieren und zu verwenden. Im Jahr 2013 veröffentlichte das Zhang-Labor als erstes eine Methode zur Entwicklung von CRISPRs zur Verwendung bei der Bearbeitung von Genomen von Mäusen und humanen Genomen.

 

Wie CRISPR funktioniert

Der CRISPR-CAS9-Geneditierungskomplex aus Streptococcus pyogenes: Das Cas9-Nukleaseprotein verwendet eine Leit-RNA-Sequenz (pink), um DNA an einer komplementären Stelle (grün) zu schneiden. MOLEKUUL / SCIENCE PHOTO LIBRARY / Getty Images

Im Wesentlichen bietet natürlich vorkommendes CRISPR eine Fähigkeit zum Suchen und Zerstören von Zellen. In Bakterien transkribiert CRISPR Spacersequenzen, die die Zielvirus-DNA identifizieren. Eines der von der Zelle produzierten Enzyme (z. B. Cas9) bindet dann an die Ziel-DNA und schneidet sie, wobei das Zielgen ausgeschaltet und das Virus deaktiviert wird.

Im Labor schneidet Cas9 oder ein anderes Enzym DNA, während CRISPR ihm sagt, wo er schnipsen soll. Anstatt virale Signaturen zu verwenden, passen die Forscher CRISPR-Spacer an, um nach interessierenden Genen zu suchen. Wissenschaftler haben Cas9 und andere Proteine ​​wie Cpf1 so modifiziert, dass sie ein Gen entweder schneiden oder aktivieren können. Das Ein- und Ausschalten eines Gens erleichtert es Wissenschaftlern, die Funktion eines Gens zu untersuchen. Das Schneiden einer DNA-Sequenz erleichtert das Ersetzen durch eine andere Sequenz.

 

Warum CRISPR verwenden?

CRISPR ist nicht das erste Tool zur Bearbeitung von Genen in der Toolbox des Molekularbiologen. Andere Techniken zur Geneditierung umfassen Zinkfinger-Nukleasen (ZFN), Transkriptionsaktivator-ähnliche Effektor-Nukleasen (TALENs) und manipulierte Meganukleasen aus mobilen genetischen Elementen. CRISPR ist eine vielseitige Technik, da sie kostengünstig ist, eine große Auswahl an Zielen ermöglicht und Orte anvisieren kann, auf die bestimmte andere Techniken nicht zugreifen können. Aber der Hauptgrund, warum es eine große Sache ist, ist, dass es unglaublich einfach zu entwerfen und zu verwenden ist. Alles, was benötigt wird, ist eine 20-Nucleotid-Zielstelle, die  durch Erstellen eines Leitfadens hergestellt werden kann. Die Mechanismen und Techniken sind so einfach zu verstehen und anzuwenden, dass sie in Biologie-Lehrplänen für Studenten zum Standard werden.

 

Verwendung von CRISPR

Mit CRISPR können neue Medikamente für die Gentherapie entwickelt werden. DAVID MACK / Getty Images

Forscher verwenden CRISPR, um Zell- und Tiermodelle zu erstellen, um krankheitsverursachende Gene zu identifizieren, Gentherapien zu entwickeln und Organismen mit wünschenswerten Merkmalen zu konstruieren.

Aktuelle Forschungsprojekte umfassen:

  • Anwendung von CRISPR zur Vorbeugung und Behandlung von HIV. Krebs, Sichelzellenerkrankungen, Alzheimer, Muskeldystrophie und Lyme-Borreliose. Theoretisch kann jede Krankheit mit einer genetischen Komponente gentherapeutisch behandelt werden.
  • Entwicklung neuer Medikamente zur Behandlung von Blindheit und Herzerkrankungen. CRISPR / Cas9 wurde verwendet, um eine Mutation zu entfernen, die Retinitis pigmentosa verursacht.
  • Verlängerung der Haltbarkeit verderblicher Lebensmittel, Erhöhung der Widerstandsfähigkeit von Pflanzen gegen Schädlinge und Krankheiten sowie Steigerung des Nährwerts und des Ertrags. Zum Beispiel hat ein Team der Rutgers University die Technik verwendet, um Trauben gegen Falschen Mehltau resistent zu machen .
  • Transplantation von Schweineorganen (Xenotransplanation) in Menschen ohne Abstoßung
  • Wollmammuts und vielleicht Dinosaurier und andere ausgestorbene Arten zurückbringen
  • Mücken resistent gegen den  Parasiten Plasmodium falciparum machen , der Malaria verursacht

Offensichtlich sind CRISPR und andere Techniken zur Bearbeitung des Genoms umstritten. Im Januar 2017 schlug die US-amerikanische FDA Richtlinien vor, um den Einsatz dieser Technologien abzudecken. Andere Regierungen arbeiten ebenfalls an Vorschriften, um Nutzen und Risiken in Einklang zu bringen.

Ausgewählte Referenzen und weiterführende Literatur

  • Barrangou R., Fremaux C., Deveau H., Richards M., Boyaval P., Moineau S., Romero DA, Horvath P. (März 2007). „CRISPR bietet erworbene Resistenz gegen Viren in Prokaryoten“. Wissenschaft315  (5819): 1709–12. 
  • Horvath P, Barrangou R (Januar 2010). „CRISPR / Cas, das Immunsystem von Bakterien und Archaeen“. Wissenschaft327  (5962): 167–70.
  • Zhang F, Wen Y, Guo X (2014). „CRISPR / Cas9 für die Bearbeitung des Genoms: Fortschritte, Implikationen und Herausforderungen“. Humangenetik23 (R1): R40–6.

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