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 auch in der Tier- und Pflanzenzüchtung und in der Biotechnologie eingesetzt.

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 Gen-Schere“) 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 einer natürlichen Mutation - mit dem Unterschied, dass diese zufällig stattfindet, während sie 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 DNA-Strang außerhalb der Zielregion sind selten und lassen sich weitgehend ausschließen. Zudem können mit CRISPR/Cas mehrere Genomveränderungen gleichzeitig durchgeführt werden (multiple Genommutationen).

CRISPR/Cas spielt in der Grundlagenforschung eine große Rolle, etwa um bisher wenig verstandene Genfunktionen aufzuklären. Inzwischen wird das System wegen seiner besonderen Vorteile auch in der Tier- und Pflanzenzüchtung eingesetzt. Einige Produkte sind schon weit entwickelt und stehen in den USA vor der Markteinführung. Dort wurden sie bereits als nicht-gentechnisch verändert eingestuft und unterliegen damit nicht der Gentechnik-Regulierung. Andere Länder außerhalb der EU wollen differenziert vorgehen: Einfache editierte Organismen ohne größere neu eingefügte DNA-Sequenzen bleiben unreguliert.

In Europa entschied dagegen der Europäische Gerichtshof (EuGH) im Juli 2018, dass alle mit Genome Editing-Verfahren erzeugte Pflanzen und damit auch solche, die mit Hilfe des CRISPR/Cas-Systems entwickelt wurden, unter die geltenden Gentechnik-Gesetze fallen. Ihre Verwendung, aber auch jede Freisetzung in die Umwelt müssen genehmigt werden, daraus hergestellte Lebens- und Futtermittel sind kennzeichnungspflichtig.

Siehe auch:

Genome Editing Zinkfinger Nukleasen TALEN GVO (Gentechnisch veränderter Organismus)