CRISPR/Cas-System (Gen-Schere)

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

CRISPR/Cas


Das CRISPR/Cas-System („programmierbare Gen-Schere“) ist ein präzises Instrument, das gezielt punktuelle Veränderungen im Genom ermöglicht (Genome Editing). Dies läuft im Wesentlichen in drei Schritten ab:

Ziel finden: Das CRISPR-System erkennt mit Hilfe der darin integrierten RNA (guide-RNA) das jeweilige Ziel, eine bestimmte DNA-Sequenz, die „umgeschrieben“ werden soll. Die guide-RNA und die DNA des Ziels passen genau zueinander.

Schneiden: Das an den CRISPR-Abschnitt gekoppelte Cas9-Protein schneidet den DNA-Doppelstrang genau an der vorbestimmten Stelle im Erbgut (Abb. oben). Dadurch entsteht ein „Doppelstrangbruch“.

Reparieren: Nun treten die zelleigenen Reparatursysteme in Aktion und fügen den durchtrennten DNA-Strang wieder zusammen. Dieses kann zufällig (nicht-homolog) oder gezielt (homolog) erfolgen. Bei der nicht-homologen Reparatur werden an der Bruchstelle einzelne DNA-Bausteine entfernt oder „falsch“ zusammengesetzt. Dadurch kann das betreffende Gen nicht mehr richtig abgelesen werden (Abb. unten rechts). Bei der homologen Reparatur kann an der Bruchstelle ein neuer Gen-Abschnitt oder eine veränderte Variante einer kurzen DNA-Sequenz (Mutation) eingefügt werden (Abb. unten links).

Wenn keine neuen Gen-Sequenzen eingefügt werden entsprechen diese Vorgänge - Bruch des DNA-Strangs und anschließende Reparatur - natürlichen Mutationen, wie sie zufällig und in großer Zahl bei jeder Vermehrung stattfinden oder in der Züchtung durch Strahlung oder chemische Substanzen ausgelöst werden.

Das CRISPR/Cas-System leitet sich von einem natürlichen Mechanismus ab, mit dem sich Bakterien wie bei einem Immunsystem vor schädlichen Viren schützen. Es funktioniert nicht nur bei Bakterien, sondern grundsätzlich bei allen Organismen. Beide Elemente - CRISPR-RNA und das Schneideprotein Cas9 - werden synthetisch hergestellt und anschließend in eine Zelle eingeführt. Das kann mit bekannten gentechnischen Verfahren - bei Pflanzen etwa Transformation mit Agrobakterien - geschehen. Inzwischen ist es auch möglich, die betreffende DNA bzw. RNA direkt einzuführen. Wenn die CRISPR-Werkzeuge ihren Zweck erfüllt und die beabsichtigte Mutation ausgelöst haben, werden sie nicht mehr benötigt und sind in den Nachkommen nicht mehr vorhanden.

Im Vergleich zu anderen Genome Editing-Verfahren lässt sich die CRISPR/Cas_Elemente viel einfacher, schneller und kostengünstiger herstellen. Zudem arbeiten sie weitaus präziser als andere Züchtungsverfahren: Unbeabsichtigte Schnitte im DNA-Strang außerhalb der Zielregion (Off-target-Effekte) sind sehr selten.

In der Grundlagenforschung spielt CRISPR/Cas eine große Rolle, um einzelne Gene abzuschalten und anschließende deren Funktionen aufzuklären. Auch in der Tier- und Pflanzenzüchtung wird die Gen-Schere heute zunehmend eingesetzt. Erste Produkte kommen außerhalb Europas auf den Markt.

In Europa gelten mit Genome Editing gezüchtete Pflanzen und Tiere als gentechnisch veränderte Organismen (GVO).

Siehe auch

Genome Editing Genom DNA RNA Mutation Off-target-Effekte