CRISPR-Cas9 die Manipulation des Erbguts

     

CRISPR-Cas9 ist eine einfache Methode, mit der Forscher das Erbgut beliebig verändern können. Ursprünglich haben Bakterien diese Gen-Schere genutzt, um sich vor einem Befall durch Viren zu schützen.

Im Jahr 1987 machten japanische Forscher eine merkwürdige Entdeckung: Im Erbgut von Bakterien stießen sie auf Bereiche, die voller Wiederholungen und Palindrome steckten1. Es dauerte viele Jahre, bis deren Bedeutung klar wurde - doch dann ging alles sehr schnell. Die Bereiche, nun CRISPR genannt, ermöglichten die Entwicklung einer Gen-Schere, die Forschungslabore auf der ganzen Welt im Sturm erobert hat.

Gen-Schere CRISPR-Cas9

Mit Hilfe eines RNA-Moleküls schneidet die Cas9-Nuklease den DNA-Strang an einer definierten Stelle
Durchbruch: Mit CRISPR-Cas9 können Forscher das Erbgut verändern.

Zwei Wissenschaftlerinnen erlangten damit weltweite Bekanntheit. Jennifer Doudna und Emanuelle Charpentier begriffen als erste, dass die CRISPR-Sequenzen - zusammen mit einem Enzym namens Cas9 - die Manipulation des Erbguts erlauben. Jedes Gen kann damit auf fast beliebige Weise verändert werden: Einzelne DNA-Buchstaben werden ausgetauscht, Teile des Gens gelöscht oder durch neue Bereiche ergänzt. Und das mit einer Effizienz und Leichtigkeit, von der Forscher zuvor nur zu träumen wagten.

Seltsame DNA-Sequenzen

Anfangs hatte nur wenig auf diesen Durchbruch hingedeutet. In den 1980er Jahren konnten die Forscher noch nicht ahnen, dass sie auf eine Art Immunsystem der Bakterien gestoßen waren. Sie wunderten sich nur über den seltsamen Aufbau dieser DNA-Sequenzen, die sie mit den Worten "clustered regularly interspaced short palindromic repeats" beschrieben - abgekürzt CRISPR.

Erst im Jahr 2005 fiel auf, dass Teile der CRISPR-Sequenzen nicht aus den Bakterien selber, sondern offenkundig aus Viren stammten2. Teile der Viren-Gene mussten Eingang in das Erbgut der Bakterien gefunden haben. Der Zufall war aber sicher nicht im Spiel: Dazu wiesen die viralen Sequenzen eine viel zu regelmäßige und geordnete Struktur auf.

Immunsystem der Bakterien

Im Jahr 2006 kamen Forscher auf den Gedanken, dass die CRISPR-Sequenzen eine Erinnerung an zurückliegende Viren-Infektionen darstellen könnten3. Bei erneutem Befall würden die Sequenzen aktiviert und in RNA-Moleküle umgeschrieben, die dann das Erbgut der eingedrungenen Viren aufspüren können.

Doch RNA-Moleküle allein reichen nicht aus, um einen wirkungsvollen Schutz vor Viren aufzubauen. Sie benötigen die Unterstützung eines Enzyms namens Cas9, das als sogenannte Nuklease fungiert: Es schneidet DNA-Stränge in kleinere Stücke. Mit der Hilfe der RNA kann Cas9 das Erbgut der Viren aufspüren und zerstückeln - der Angriff der Viren ist damit abgewehrt. 2007, also 20 Jahre nach der Entdeckung der seltsamen Sequenzen, gelang erstmals der Nachweis, dass das CRISPR-Cas9 System ein Immunsystem der Bakterien ist4.

Werbung

Der große Vorteil von CRISPR-Cas9

An diesem Zeitpunkt kamen die Wissenschaftlerinnen Doudna und Charpentier auf eine bahnbrechende Idee5: Warum nicht dieses System für eigene Zwecke nutzen? Das Prinzip der Gen-Scheren war zwar bereits verwirklicht, und die ersten beiden Varianten ZFN und TALEN fanden schon rege Anwendung. Doch das System aus CRISPR und Cas9 hatte einen großen Vorteil: Es war in zwei Komponenten aufgeteilt. Das Protein Cas9 war universell einsetzbar, und RNA-Moleküle - die an Stelle von CRISPR das Ziel definieren - können schon für wenig Geld bei spezialisierten Firmen bestellt werden.

Eine wichtige Frage blieb noch offen: Funktioniert das bakterielle CRISPR-Cas9 auch in menschlichen Zellen? Anfang 2013 erschienen drei Studien, die diese eindeutig zeigten - mit dabei waren erneut Doudna und Charpentier6-8. Damit war der Damm endgültig gebrochen - CRISPR-Cas9 zog seinen Siegeszug durch Labore in aller Welt an. Folgerichtig wählte das renommierte Wissenschaftsmagazin Science diese Technologie - deren Name mittlerweile meist zu CRISPR verkürzt ist - zum Durchbruch des Jahres 20159. Und Doudna und Charpentier gelten als sichere Kandidatinnen für einen Nobelpreis.

Kontroverse Anwendungen

Kontroversen hat CRISPR-Cas9 jedoch auch schon ausgelöst. Die Technologie ermöglichen etwa die Verwirklichung eines gene drive, mit dem ganze Populationen von wildlebenden Tieren genetisch verändert werden können. Und auch die Ängste vor der Manipulation des menschlichen Erbguts sind wieder aufgeflammt: Das Designer-Baby wird - zumindest in technischer Hinsicht - eine relle Möglichkeit.

Doch diese Gen-Schere hat auch große Hoffnungen ausgelöst. Ärzte wollen eine neue Form der Gentherapie zu entwickeln - die nicht nur als Notbehelf, sondern als wirkliche Reparatur fungiert. Viele andere Anwendungen werden möglich, über die man heute nur spekulieren kann. Denn alles deutet darauf hin, dass die Entwicklung von CRISPR-Cas9 weiterhin so stürmisch verlaufen wird, wie wir es in den letzten Jahren erlebt haben.

Teil 1/3: Drei Gen-Scheren schneiden das Erbgut - CRISPR, TALEN, ZFN
Teil 2/3: CRISPR-Cas9: Bakterielles Immunsystem erlaubt die Manipulation des Erbguts
Teil 3/3: Gentherapie: Gen-Scheren gegen AIDS und Blutkrebs
1 Ishino et al., Nucleotide sequence of the iap gene, responsible for alkaline phosphatase isozyme conversion in Escherichia coli, and identification of the gene product, J. Bacteriol. 1987 (link)
2 Doudna und Charpentier, The new frontier of genome engineering with CRISPR-Cas9, Science 2014 (link)
alle Referenzen anzeigen...

Gen-Schere CRISPR-Cas9

Mit Hilfe eines RNA-Moleküls schneidet die Cas9-Nuklease den DNA-Strang an einer definierten Stelle
Durchbruch: Mit CRISPR-Cas9 können Forscher das Erbgut verändern.
Werbung

Mehr...

  • Gentherapie - Das stille Comeback einer Hoffnung mehr...
  • Personalisierte Medizin - Maßgeschneiderte Therapien dank Genom-Analyse? mehr...
  • Viren transportieren Gene - und heilen Krankheiten mehr...

Häufig besucht

zellstoff - der Blog

2. November
Neue Gentherapien, alte Probleme
In Europa wird Glybera ausgemustert, in den USA drängen Yescarta und bald wohl auch Luxturna auf den Markt. Doch hohe Kosten und mangelnde Effizienz bleiben ein Problem.
mehr...

Kurz und knapp 

  • die Gen-Schere CRISPR-Cas9 ermöglicht es, das Erbgut auf vielfältige Weise zu verändern
  • CRISPR-Cas9 besteht aus zwei Komponenten
  • Komponente I: Das Enzym Cas9 schneidet den DNA-Strang
  • Komponente II: Ein RNA-Molekül definiert die Stelle, an der die DNA geschnitten wird
  • CRISPR-Cas9 stammt aus Bakterien, die es vor einer Infektion mit Viren schützt