CRISPR/Cas-System

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

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 und ist somit nicht mehr aktiv (Abb. unten rechts). Bei der homologen Reparatur kann an der Bruchstelle ein neuer Gen-Abschnitt oder eine neue, leicht veränderte Variante einer kurzen DNA-Sequenz (Mutation) eingefügt werden. (Abb. unten links).

Beide Elememte - 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.

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. Mit Ausnahme der Integration einer neuen, längeren Gen-Sequenz entsprechen diese Reparaturvorgänge natürlichen Mutationen, wie sie zufällig bei jeder Vermehrung oder ausgelöst durch Strahlung oder chemische Substanzen stattfinden.

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 homologe Rekombination GVO (Gentechnisch veränderter Organismus)