CRISPR/Cas9 — Technologiesprung zur Genschere (2)

Gen-Editing: Finden von CRISPRs und Zurechtschneiden

„CRISPRs … weisen … Sequenzähnlichkeiten auf. Ihr bemerkenswertestes Merk­mal sind sich wiederholende Spacer und direkte Wiederholungen. Dies macht CRISPRs leicht erkennbar in langen DNA-Sequenzen …”. [1]

„Eine sgRNA¹ … ist ein künstlich hergestelltes RNA-Molekül, um die Funktion von Cas9 in dem CRISPR/Cas-System zu steuern” [2].

„Ein ternärer Komplex ist ein Proteinkomplex, der drei verschiedene Moleküle enthält, die zusammengebunden sind.” [3].

A C G T U S4 CUAGdiloop Loop 1 S3 Anti-repeat Repeat S2 Linker RNA synthetisierte Leit-Sequenz S1 DNA zu entfernende Ziel-Sequenz S5 Loop 2 S6 Loop 3 Hybrid Beispiel ternäre hybride sgRNA-DNA [nach 4]:

„Die pre-crRNA wird während der Bearbeitungsphase der CRISPR/Cas-Immun­abwehr in crRNA (für CRISPR RNA) bearbeitet (die sogenannte post-trans­krip­tionelle Modifikation). Sie besteht hauptsächlich aus einer ‚Spacer’-Se­quenz, die komplementär zu einer bestimmten Target-DNA ist, aber auch aus einem Teil der Palindrom-Sequenz, die mit der tracrRNA … paaren kann.” [5]  Die künstlich hergestellte crRNA ist ein einziges RNA-Molekül. „Somit kann man einen Teil der sgRNA wunschgemäß ersetzen, so dass sie komplementär zu je­der beliebigen DNA-Sequenz ist, ohne ihre Fähigkeit zu beeinträchtigen, an Cas9 zu binden” [6]. Neuere Software-Tools wie DSSR [7] helfen, die räumliche Struktur von DNA- und RNA-Sequenzen herauszufinden, die für ihre biogeneti­sche Funktionsweise entscheidend ist.

„Forscher … können die ‚CRISPR-Sonden’ so programmieren, dass sie im Erb­gut jeden beliebigen Abschnitt suchen und schneiden. Genbausteine können entfernt oder ausgetauscht werden.” [8]

Erste Anwendungen

CRISPR/Cas wurde eingesetzt u.A. zum Abschalten von Genen in menschli­chen Zellen, Veränderungen von Hefen (zur Produktion von Bio-Treibstoff oder neuen Nahrungsmitteln) und von Moskitos, damit sie keine Malaria mehr ver­breiten, Genmodifikation von Pflanzeneigenschaften (statt konventioneller Züch­tung), sowie Heilung einer Patientin von genetisch bedingter Sichelzellen-Anämie [9].

Es gibt in den USA Firmen, die Genom-Editing bereits kommerziell anbieten oder die An­wendung planen. Bei einigen sanken zeitweise die Kurse, nachdem in einem Artikel die Präzision von CRISPR/Cas9 angezweifelt wurde. [10]

Es ist klar, dass solche direkten Eingriffsmöglichkeiten in die Erbsubstanz von Lebewesen ethische Fragen aufwerfen, allerdings weniger beim Einsatz zur Pflanzenzucht als bei Eingriffen in Genome höherer Lebewesen. „Der Neuro­wissenschaftler und Crispr-Pionier Feng Zhang warnt davor, die revolutionäre Technik der Genschere zur DNA-Veränderung von Embryonen zu missbrauchen. Zugleich hofft er, mit der Technik neue Formen von Arzneimitteltherapien ge­gen Krankheiten wie Krebs entwickeln zu können.” [8]  Noch sind den Anwen­dungen in den meisten Län­dern gesetzlich enge Grenzen gesetzt. Die Diskus­sion ist im Gange [11].


[1]) WIKIPEDIA (engl.): “CRISPR”, Abgerufen am 24.9.2019.
   ¹) sgRNA = single-guide RNA.
[2]) Jörg Vogel: „CRISPR/Cas9”. Leopoldina, 2019.
[3]) WIKIPEDIA (engl.): “Ternary Ternary”. Abgerufen am 28.9.2019.
[4]) „sgRNA (chiRNA)”. Pflanzenforschung, 2019.
[5]) „crRNA”. Pflanzenforschung, 2019.
   ²) PAM = protospacer adjacent motif.
[6]) Cong Huai, Gan Li, Ruijie Yao, Yingyi Zhang, Mi Cao, Liangliang Kong, Chenqiang Jia, Hui Yuan, Hongyan Chen, Daru Lu, Qiang Huang: “Structural insights into DNA cleavage activation of CRISPR-Cas9 system”. nature COMMUNICATIONS, 9.11.2017.
[7]) Xiang-Jun Lu, Harmen j. Bussemaker, Wilma K. Olson: “DSSR: An integrated software tool for dissecting the spatial structure of RNA”. Nucleic Acids Research 43(21), July 2015.
[8]) Martin Lohse: „Präzise molekulare Scheren”. Leopoldina, 2019.
[9]) Interview: „Einsatz von Genschere Crispr/Cas9 zweifelhaft und noch nicht ausgereift”, Deutsche Apotheker Zeitung, 29.7.2019.
[10]) Alex Philippidis: “Public, Private Companies Attract Investors, Despite Studies Raising Questions on CRISPR”. GEN - Genetic Engineering  & Biotechnology News, 27.8.2018.
[11]) Toni Cathomen, Silke Schüle, Martin Schüßler-Lenz, Mohamed Abou-El-Enein: “The Human Genome Editing Race: Loosening Regulatory  Standards for Commercial Advantage?” Abstract. 13.7.2018. Trends in Biotechnology, 37(2), Feb. 2019.

Oskar Fuhlrott,