CRISPR/Cas-System

Neue, molekularbiologische Methode, um DNA gezielt zu schneiden und zu verändern. Damit können einzelne DNA-Bausteine eingefügt, entfernt oder ausgeschaltet werden. Das Verfahren funktioniert grundsätzlich bei allen Organismen. Es wird erwartet, dass es in Zukunft auch in der Tier- und Pflanzenzüchtung und in der Biotechnologie eingesetzt wird.

Das CRISPR/Cas-System ist ein präzises Instrument, das punktuelle Veränderungen der DNA (Genome Editing) ermöglicht. Wie bei anderen Genome Editing-Verfahren - etwa Zinkfinger-Nukleasen oder TALENs - besteht auch das CRISPR/Cas- System aus drei Schritten:

CRISPR Cas9
Genome editing Rekombination

Finden: Der CRISPR-Abschnitt erkennt mit Hilfe der darin integrierten RNA (Guide RNA) das jeweilige Ziel, eine bestimmte Sequenz in dem umzuschreibenden Gen.

Schneiden: Das an den CRISPR-Abschnitt gekoppelte Cas9-Protein schneidet den DNA-Doppelstrang genau an der gewünschten Zielsequenz (Abb. oben). Beide Elememte - CRISPR und Cas9 - werden synthetisch hergestellt und anschließend in eine Zelle eingeführt.

Reparieren: Die zelleigenen Reparatursysteme fügen nun den durchtrennten DNA-Strang wieder zusammen. Je nachdem, wie das geschieht, können einzelne DNA-Bausteine entfernt oder modifiziert werden. Möglich ist auch, kurze DNA-Sequenzen neu einzubauen (Abb. unten).

Das CRISPR/Cas-System leitet sich von einem Mechanismus ab, mit dem sich Bakterien wie bei einem Immunsystem vor schädlichen Viren schützen. Bei einer Infektion spalten die Cas-Proteine die DNA der eingedrungenen Viren in kleine Fragmente auf. Diese werden dann in den CRISPR-Abschnitt (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) eingefügt - Abschnitte im Bakterien-Erbgut, welche aus kurzen, sich wiederholenden DNA-Sequenzen (Repeats) bestehen. Bei einem erneuten Virenbefall werden diese CRISPR-Abschnitte in RNA umgeschrieben: Diese „prüft“ die Viren-DNA. Stimmt diese mit dem gespeicherten Abschnitt überein, wird sie durch die Cas-Proteine zerschnitten.

Dieses System („programmierbare Genschere“) funktioniert nicht nur in Bakterien, sondern grundsätzlich bei allen Organismen. Man kann damit jeden DNA-Strang an einer ganz bestimmten Stelle durchtrennen und im Zuge der anschließenden Reparatur einzelne DNA-Bausteine ausschneiden, austauschen oder auch neu einfügen. Dies läuft genau so ab wie bei eine natürlichen Mutation - mit dem Unterschied, dass sie zufällig stattfindet, während die mit CRISPR/Cas und anderen Genome Editing-Verfahren gezielt herbeigeführt wird.

Im Vergleich zu anderen Genome Editing-Verfahren lässt sich das CRISPR/Cas-System viel einfacher, schneller und kostengünstiger herstellen. Es arbeitet weitaus präziser: Unbeabsichtigte Schnitte im im DNA-Strang außerhalb der Zielregion sind selten und lassen sich weitgehend ausschließen. Zudem können mit CRISPR/Cas mehrere Genomveränderungen gleichzeitig durchgeführt werden (multiple Genommutationen).

Bisher wird CRISPR/Cas vor allem in der Grundlagenforschung angewandt, etwa um bisher wenig verstandene Genfunktionen aufzuklären. Wegen seiner besonderen Vorteile wird erwartet, dass das System in naher Zukunft auch in der praktischen Tier- und Pflanzenzüchtung eingesetzt wird. Derzeit wird das Verfahren in zahlreichen Forschungsprojekten genutzt, marktfähige Produkte gibt es bisher jedoch noch nicht.

Bisher ist noch unklar, ob etwa Pflanzensorten, welche zukünftig unter Verwendung des CRISPR/Cas-Systems gezüchtet werden, als gentechnisch veränderte Organismen (GVO) einzustufen und zu bewerten sind. Werden keine größeren DNA-Sequenzen neu eingefügt, unterscheiden sich mit CRISPR/Cas editiere Pflanzen nicht von solchen, die auch unter natürlichen Bedingungen vorkommen können. Anders als bei GVO ist ein spezifischer Nachweis des Verfahrens anhand der damit erzeugten Produkte nicht möglich.

Siehe auch:

Genome Editing Zinkfinger Nukleasen TALEN