CRISPR/Cas9: Hochpräzise Gen-Schere zum Verändern des Erbguts

CRISPR/Cas9: Hochpräzise Gen-Schere zum Verändern des Erbguts

Das CRISPR/Cas-System ist eine Gen-Schere, mit der man das Erbgut aller Organismen von Bakterien bis zum Menschen punktgenau verändern kann. Damit ist nicht nur in der Genforschung vieles einfacher geworden, sondern man könnte damit auch Erbfehler ausbessern, ganze Populationen etwa der Malaria-Mücke ausrotten, Nutzpflanzen verändern und Blutzellen gegen das HI-Virus immun machen.

Die Forscher haben sich für die Gen-Schere ein System zunutze gemacht, das Bakterien als Schutz vor Viren entwickelt haben. Nach einer Virusinfektion fügen Bakterienzellen nämlich DNA-Stücke der Viren in bestimmte Regionen ihres Erbguts ein. Bei diesen "Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPR) genannten Regionen handelt es sich um Abschnitte sich wiederholender DNA mit einem kurzen Stück, das sich von hinten und vorne lesen lässt, wie etwa der Name "Anna".

Bei einem neuerlichen Befall können sie damit die Viren-DNA rasch erkennen und setzen den Eiweißstoff Cas9 (C-RISPR as-sociated) darauf an. Dieses Enzym bindet und zerschneidet die DNA der Vieren, was für diese fatal ist.

Will man nun diese natürliche Gen-Schere der Bakterien dafür nutzen, nicht Viren-DNA, sondern das Erbgut eines anderen Organismus an einer bestimmten Stelle zu schneiden, benötigt man neben dem Cas9-Enzym noch eine Leitsequenz (Guide RNA). Diese erkennt eine bestimmte Erbgut-Sequenz, die umgeschrieben werden soll, und Cas9 schneidet dann die Ziel-DNA an der gewünschten Stelle.

An der durchtrennten Stelle im Erbgut werden die Reparatursysteme der Zelle aktiv und heften den DNA-Strang wieder zusammen. Dabei können Gene eingefügt oder ausgeschaltet werden, man kann defekte Erbgut-Teile ersetzen und einzelne DNA-Buchstaben verändern.

Schnelle und günstige Eingriffe ins Ergbut

Dieses "Genome Editing" haben die französische Biochemikerin Emmanuelle Charpentier und ihre US-Kollegin Jennifer Doudna als erste im Jahr 2012 eingesetzt und im Fachmagazin "Science" beschrieben - das die Methode 2015 zum "Durchbruch des Jahres" gekürt hat. Die beiden Forscherinnen wurden für diese Entwicklung bereits vielfach ausgezeichnet, für viele Experten ist sie nobelpreisverdächtig. Damit sind Eingriffe ins Erbgut viel schneller, genauer, einfacher und günstiger, als mit den bisherigen Verfahren.

Die entsprechenden RNA-Stücke mit den Leitsequenzen sowie Cas9 kann man einfach bestellen, der Rest gehört in den einschlägigen Labors zur Grundausrüstung. Das System kann etwa mit Mikroinjektionen in die Zellen eingeführt werden. Die Gesamtkosten für einen solchen Eingriff liegen bei 20 bis 30 Euro.

Auch auf Menschen anwendbar

Das CRISPR/Cas-System funktioniert nicht nur in Bakterien, sondern auch in anderen Einzellern, sowie in Pilzen, Pflanzen, Tieren und Menschen. Seine Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig, teilweise aber umstritten.

In der Grundlagenforschung wurde damit das Ausschalten von Genen viel einfacher, schneller und präziser, um ihre Funktion zu erkunden. Damit können etwa sogenannte Knock-out-Mäuse in wenigen Wochen statt Monaten erzeugt werden. Die Humanmediziner wollen mit dem CRISPR/Cas-System zum Beispiel versuchen, weiße Blutzellen von HIV-infizierten Patienten immun gegen das Virus zu machen.

In der Gentherapie könnte die Präzisionsmethode angewendet werden, um etwa Erbkrankheiten wie die Sichelzellenanämie zu behandeln. Auch Eingriffe in die menschliche Keimbahn und Embryonen wären möglich.

Rinder ohne Hörner

Mithilfe einer als "Gene-Drive" bekannten Technik könnte man ein manipuliertes Gen rasch in einer ganzen Populationen verbreiten. Ein solches verändertes Gen ersetzt dabei mittels CRISPR/Cas-System selbstständig die zweite Kopie auf dem Schwesternchromosom, bis nach einigen Generationen alle Nachkommen die veränderte Version geerbt haben. Damit könnte man etwa Krankheitsüberträger wie Zecken oder Malariamücken steril machen und somit aus der Welt schaffen.

Forscher haben in den vergangenen Jahren mit der Gen-Schere schon krankheitsresistenten Weizen und Reis hergestellt, auch enthornte Rinder sollen mittels CRISPR/Cas-System entstehen. Weil sich die DNA-Sequenzen damit so exakt verändern lassen, hinterlassen solche Manipulationen praktisch keine Spuren auf dem Erbgut. Diese veränderten Ackerpflanzen und Nutztiere können daher nicht identifiziert werden, wie es bei jenen aus herkömmlicher Gentechnik recht leicht möglich ist.

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