CRISPR/Cas — Technologiesprung des Jahrzehnts (1)

Herkunft

CRISPR¹ (ohne Zusatz) bezeichnet leicht identifizierbare, besondere Nuklein­basen-Se­quenzen in den Genen. Dazu wurde eine Gruppe von Genen entdeckt, die in allen untersuchten Organismen nahe der Position der CRISPR la­gen (so genannte Cas²). Das führte zur CRISPR/Cas-Methode (genannt „Gen-Sche­re”), die gezieltes Edi­tieren von DNA- bzw. RNA-Strän­gen ermög­licht (Auf­tren­nen, Her­aus­schneiden, Zusammenfügen, Einfügen neuer Se­quenzen). [1,2]

Diese Technologie imitiert die Methode der Bakterien zum Auf­bau ihrer Im­mun­abwehr gegen Viren: Wiedererkennen und Entfernen von Schadsequen­zen.

Grundlagen der →Gentechnik

Alle Lebewesen bestehen aus Zellen — mit einem „Alfabet” ihrer DNA aus vier Nu­kleinbasen A, G, T, C¹ — in der chromoso­malen Dop­pelhelix immer ge­paart: A-T und G-C [3]. A ist also die kom­plementäre Nukleinbase zu T, G ist kom­plementär zu C. Die „Buchstaben”-Folgen insgesamt definieren den Bau­plan, sogar bei Viren (gelten mangels Zelle und Stoffwechsel nicht als Lebewesen). Die Eiweiß-Synthese wird über die RNA gesteuert. In ihr ist T durch U ersetzt.

Unsere Möglichkeiten, Basen-Folgen der DNA oder der RNA lesen zu können, wurden durch Fort­schritte in der (teil-)automatischen Sequenzierung erleich­tert, beschleunigt und verbilligt: „Während das ‚Human Genome’ Projekt, bei dem das menschliche Erbgut sequenziert wurde damals noch 13 Jahre gedau­ert hatte, könnte das gleiche Vorhaben mit den neuesten Technologien heu­te innerhalb eines Tages für einen Bruchteil der Kosten vollbracht werden” [6].

Beteiligte Nukleinbasen-Sequenzen

Die CRISPR-Sequenz enthält als Kern ein zweiteiliges Quasi-Palindrom — eine Nukleinbasen-Folge, die ihrer genau umgekehrten komplementären Sequenz gleicht und sich nach einer dazwischengefügten kurzen „Spacer”-Fol­ge wieder­holt. CRISPR-Abschnitte haben keine genetische Funktion (d.h. keinen Code zur Pro­duk­tion von Amino­säuren). Sie dienen nur zum Erkennen benach­barter Ab­schnitte. Unter Einwirkung eines speziellen Enzyms falten sie sich (dank des Palindroms) zu einer geometrischen „Haar­nadel”-Form:

A C G T ? Enzym mit Enzym: DNA Strang 1 Strang 2 unbehandelt: Duplex-Struktur Repeat 1 Spacer Repeat 2 „Haarnadel”-Struktur Spacer Palindrom

Vorbild Immunsystem

„Wenn eine Mikrobe durch ein Virus befallen wird, ist Aufgabe der ersten Stufe der Im­mun­antwort, virale DNA einzufangen und in Form eines Spacers in eine CRISPR-Stelle einzupflanzen.” [7, übersetzt]

CRISPRs „… arbeiten … wie ‚Erkennungs-Sonden’ gegen das Virus. Cas9 ist das Eiweiß, das den Schnitt ausführt …” [8].

„CRISPR/Cas9 als Molekülwerkzeug verursacht DNA-Brüche an zwei Stellen” [7, übersetzt]. Das ermöglicht weitere genetische Manipulation durch endogene DNA-Reparaturmechanismen. Unter den an mehreren Stellen-auftretenden CRISPR-Folgen wird meist die zum Einfügen des Spacers gewählt, die dem Sequenzbeginn am nächsten liegt.

Vermutet wird ein Mechanismus, der an der Fremd-DNA in Dreier-Schritten ent­lang gleitet, bis er einen passenden Spacer findet. „Cas-Proteine spalten die erkannte lange Sequenz am Ende der passenden Region auf und hinterlassen eine einzige crRNA (CRISPR-RNA) mit einem kleinen Rest der paarigen Wieder­holungssequenz.” [7, übersetzt]


   ¹) CRISPR: Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats — „gehäuft auftretende, regelmäßig unterbrochene, kurze Palindrom-Wiederholungen” [4, 5].
   ²) Cas: CRISPR-associated — „den CRISPR-Sequen­zen benachbart”.
[1]) WIKIPEDIA: „CRISPR”, Abgerufen am 14.9.2019.
[2]) Wikiwand: „CRISPR/Cas-Methode”, wikiwand.com, abgerufen am 14.9.2019.
   ³) Adenin, Thymin, Guanin, Cytosin; Uracil.
[3]) Nach „Nukleinbasen-Paare”, allgemeinbildung.ch Unterrichtsmaterialien, 13.9.2019.
[4]) MPG/ Art for Science: „Palindrome im Erbgut: Aufbau des CRISPR-Abschnitts”, Max-Planck-Gesellschaft, 2019.
[5]) MPG/ Art for Science: „Arbeitsweise von CRISPR-Cas9”, Max-Planck-Gesellschaft, 2019.
[6]) Redaktion SimplyScience.ch: „DNA kann man lesen: Mit der DNA-Sequenzierung”, simply science, Schweiz. 9.4.2013.
[7]) WIKIPEDIA (engl.): “CRISPR”, Abgerufen am 24.9.2019.
[8]) Jörg Vogel: „CRISPR/Cas9”. Leopoldina, 2019.

Oskar Fuhlrott,