CRISPR und Genom-Editierung

Wie programmierbare Nukleasen, insbesondere RNA-gesteuerte CRISPR-Cas-Systeme, gezielte Schnitte in der DNA ermöglichen, die es Forschenden erlauben, Genome mit beispielloser Leichtigkeit zu editieren.

Definition

Genom-Editierung ist die gezielte Veränderung der DNA eines Organismus an ausgewählten Stellen mittels programmierbarer Nukleasen; CRISPR-Cas ist ein RNA-gesteuertes System, das aus der bakteriellen Immunität abgeleitet ist, bei dem eine Leit-RNA die Cas-Nuklease zu einer passenden DNA-Sequenz leitet, um einen Doppelstrangbruch für die Editierung zu erzeugen.

Scope

Dieses Thema behandelt die gezielte Genom-Editierung, wobei der Schwerpunkt auf CRISPR-Cas liegt. Es befasst sich mit dem bakteriellen Ursprung von CRISPR als adaptivem Immunsystem, dem Prinzip der RNA-gesteuerten DNA-Spaltung durch Cas9, wie der resultierende Bruch repariert wird, um Sequenzen zu löschen oder einzufügen, und einem kurzen Vergleich mit früheren programmierbaren Nukleasen. Es behandelt die Methode und ihre Logik; umfassendere Klonierungs-, Amplifikations- und Sequenzierungsmethoden werden in begleitenden Themen behandelt.

Core questions

• Woher stammt CRISPR und welche natürliche Funktion hat es?
• Wie leitet eine Leit-RNA Cas9 zu einer spezifischen DNA-Sequenz?
• Wie wird der Doppelstrangbruch genutzt, um Sequenzen zu löschen oder einzufügen?
• Wie schneidet CRISPR im Vergleich zu früheren Genom-Editierungswerkzeugen ab?

Key theories

RNA-gesteuerte DNA-Spaltung

Jinek und Kollegen zeigten, dass die Cas9-Nuklease durch eine einzelne Leit-RNA programmiert werden kann, um jede passende DNA-Sequenz zu schneiden, wodurch ein bakterielles Immunsystem in ein vielseitiges, leicht zielgerichtetes Editierungswerkzeug verwandelt wurde.

Reparatur-gesteuerte Editierung

Der am Zielort erzeugte Doppelstrangbruch wird von den zelleigenen Reparaturwegen behoben, sodass entweder die fehleranfällige Endverknüpfung ein Gen stört oder die Homologie-gerichtete Reparatur eine definierte, durch eine Vorlage bereitgestellte Änderung einführt.

Mechanisms

Bei der CRISPR-Cas-Editierung paart sich eine Leit-RNA mit einer Ziel-DNA-Sequenz neben einem kurzen Erkennungsmotiv und leitet die Cas-Nuklease an, beide Stränge an dieser Stelle zu schneiden. Die Zelle repariert dann den Bruch: Die nicht-homologe Endverknüpfung führt häufig zu kleinen Insertionen oder Deletionen, die ein Gen ausschalten, während die Homologie-gerichtete Reparatur, bei Vorhandensein einer Donor-Vorlage, eine präzise Sequenzänderung einfügt. Da die Spezifität einfach durch die Leit-RNA-Sequenz festgelegt wird, ist das System wesentlich einfacher neu auszurichten als frühere proteinprogrammierte Nukleasen.

Clinical relevance

Die Genom-Editierung wird für Gen- und Zelltherapien entwickelt und ist ein Standardforschungswerkzeug, während ihre Anwendung beim Menschen erhebliche ethische Bedenken aufwirft; dargestellt als Bedeutung und nicht als klinische Leitlinie.

History

Aufbauend auf der Entdeckung, dass CRISPR-Loci ein bakterielles adaptives Immunsystem bilden, etablierte die Demonstration von Doudna und Charpentier im Jahr 2012, dass Cas9 mit einer einzelnen Leit-RNA programmiert werden kann, die CRISPR-Genom-Editierung, die mit dem Nobelpreis für Chemie 2020 ausgezeichnet wurde.

Debates

Editierung der menschlichen Keimbahn

Die Editierung vererbbarer Zellen wirft ethische und Sicherheitsbedenken hinsichtlich Zustimmung, Off-Target-Effekten und Gerechtigkeit auf; die wissenschaftliche Gemeinschaft hat zur Vorsicht gemahnt, während Anwendungen an nicht-vererbbaren Zellen voranschreiten.

Key figures

• Jennifer Doudna
• Emmanuelle Charpentier

Seminal works

• jinek2012
• watson2013

Frequently asked questions

Was bewirkt die Leit-RNA bei CRISPR?

Sie paart sich mit einer passenden DNA-Sequenz und leitet die Cas-Nuklease an, dort zu schneiden, sodass eine Änderung der Leit-RNA das Ziel ändert.

Wie führt das Schneiden der DNA zu einer Editierung?

Die Zelle repariert den Bruch; je nach Reparaturweg und eventuell bereitgestellter Vorlage stört dies entweder das Gen oder führt eine präzise beabsichtigte Änderung ein.