CRISPR/Cas9 – e molekulart Handwierksgeschir fir genetesch Verännerung

Séier a präzis Ierfmaterial verännere – mat der CRISPR/Cas9 „Genschéier“ ass dat méiglech.

Fuerscher op der ganzer Welt benotze säit e puer Joer des nei Method, déi ënner anerem nei Dieren an der Medezin an an der Landwirtschaft opmécht.

Wat ass CRISPR/Cas9?

CRISPR ass e gewëssent Muster an der DNA vun Organismen, also hirem Ierfmaterial, a Cas9 ass en Enzym wat wéi eng Schéier DNA zerschneide kann.

Wat kann ee mat CRISPR/Cas9 alles maachen?

Mat CRISPR kann een also DNA veränneren, oder méi genau Genen. Dat sinn déi Deeler vun der DNA, aus deene Proteinne gemaach ginn, a Proteinnen exekutéieren d’biologesch Funktiounen. Et kann ee Gene just liicht veränneren, wéi dat z.B. an der Natur och bei sougenannte Mutatiounen de Fall ass. Et kann een awer och Gene ganz läschen oder neier afügen.

Firwat wëlle Fuerscher Gene veränneren?

Fuerscher wëllen zum Beispill sou genetesch Defekter korrigéieren a probéieren Ierfkrankheete wéi z.B. Mukoviszidose ze heelen. Bis elo ass sou eppes nëmme mat Knochemarkspend méiglech gewiescht. Mëttlerweil ass et Fuerscher gelongen mënschlech Embryoen vun enger Ierfkrankheet ze befreien, andeems se e kranke Gen mat Hëllef vu CRISPR/Cas9 ausgetosch hunn¹. Et ass hinne och schonn am Labo gelongen HIV aus dem Ierfmaterial a mënschlechen Zellen erauszeschneiden an sou infizéiert Zellen a gesonder ëmzewandelen. Et kéint een awer och bei Planze Genen erausschneiden, déi maachen dass Gedéiesch ugelackelt gëtt – sou  bräicht ee keng Pestiziden méi.

Wéi gouf CRISPR/Cas9 entdeckt?

2012 gouf des molekular Schéier déi éischte Kéier am Labo vun de Fuerscherinnen Emmanuelle Charpentier an dem Jennifer Doudna getest. An obwuel si d'Method, wéi een des Schéier benotzt entwéckelt hunn, hunn se se net erfonnt. Si hunn se duerch Zoufall a Bakterien entdeckt. Bakterië wieren domat nämlech sougenannte Bacteriophagen of. Dat si Viren déi nëmme Bakterie infizéieren. Dësen Oofwiermechanismus besteet aus zwee Deeler – dem CRISPR an der Cas9 mat engem Steierungs-Element.

CRISPR steet fir “clustered regularly interspaced short palindromic repeats”

Wann ee sech d’DNA wéi eng laang Ketten aus Buschtawen virstellt, da si CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats) kuerz Widderhuelungen vu Buschtawen déi a reegelméissegen Ofstänn op der DNA no beienee leien. Am Fall vun de Bakterien sinn doranner DNA Deeler (also Buschtawen) vu Virus ofgespäichert déi de Bakterium infizéiert hunn.

Doduerch ass d‘Bakterie „genetesch geimpft“. Well wann de Virus elo eng zweete Kéier ugräift gëtt en erkannt a bekämpft. Dat geschitt andeems Cas9 dem Virus seng DNA zerschneit. Fir dass Cas9 awer déi richteg Platz an der Virus Ierfinformatioun fënnt, brauch se d’Steierungs-Element. An hier si komplementar Kopie vun deenen ofgespäicherte, bekannte Virus-Stecker aus dem CRISPR agebaut. D’Steierungs-Element beweegt sech mat der Cas9 laanscht d´Virus-DNA a vergläicht déi zwee mateneen. Wann déi zwou zesumme passe schneit Cas9 DNA. De Virus ass da futti. D´Bakterië bauen sech sou eng Aart Immunsystem op.

Wéi funktionéiert CRISPR-Cas9 bei Deieren a Planzen?

Ma genau selwecht wéi bei de Bakterien. Just dass mir net ofgespäichert Virus DNA am Steierungs-Element asetzen, mee déi DNA-Sequenzen déi mir schneide wëllen. D'Cas9 gëtt da genee wei am Bakterium op déi richteg Platz bruecht a schneit do d'DNA. D'Fuerscher kennen sou futti oder krank Deeler aus DNA erausschneiden, DNA opschneiden an eventuell nei, gesond oder aner Deeler asetzen. Dat flott un CRISPR-Cas9 ass och, dass ee méi wei 1 Platz gläichzäiteg schneide kann, et muss ee just ëmmer dat passend Steierungs-Element mat ginn.

Fuerscher konnten awer och scho virdrun DNA schneiden!

Viru CRISPR/Cas9 hun d´Fuerscher fir all Stéck DNA wat se schneide wollten, als éischt mol missen eng passend “Schéier” entwéckelen. Des  sougenannten, Restriktionsendonuklease ware schwéier hierzestellen an et huet laang gedauert. Elo hunn d´Fuerscher eng Universal-Schéier. Dat eenzegt wat se elo nach musse maachen, ass en Steierungs-Element entwéckelen dat hier seet wou se soll schneiden. Dat geet vill méi séier, ass méi einfach a méi bëlleg a méi effizient!

En anere grousse Virdeel vu CRISPR ass, dass een net méi muss mat aartefrieme Genmaterial schaffen. An der „traditioneller Gentechnik“ war dat den Fall, hei huet een z.B. Planze missen Resistenzgener aus Bakterien afügen.

Wat sinn dann d'Nodeeler vu CRISPR/Cas9?

Wei bei all aner Method och, ka CRISPR och mol op der falscher Platz schneiden an da kënnen Nieweneffekter antrieden.

Ausserdeem gëtt bei dëser neier Fuerschungsmethod - wéi bei all aner Method mat dem een en Genom verännere kann och – iwwer ethesch Froen diskutéiert. Virun allem well CRISPR dofir agesat ka ginn, d'Zelle vun der Keimbahn ze verännert.  Anescht wei bei enger gewéinlecher – enger somatescher – Genverännerung, gin bei der Keimbahn net Genen an normale Kierperzelle manipuléiert, mee eben an Zellen déi ganz am Ufank vun all Liewe stinn – also Ee- a Somzellen. Dat heescht dass net nëmmen déi eenzel Persoun, mee och all hier Nofolger vun dëse Verännerunge betraff sinn. Keimbahnverännerung beim Mënsch ass a ville Länner verbueden, och zu Lëtzebuerg.

Fuerscher haten och d'Iddi der Malariaméck eng schiedlech genetesch Verännerung ze verpassen an se sou auszerotten. Mee sou Manipulatiounen un der Evolutioun sinn mat Virsiicht ze genéissen. Et weess een zum Beispill guer net wat d'Ausrottung vun enger ganzer Populatioun fir en Impakt op en Ökosystem huet. Wat geschitt mat deenen Déieren, déi d'Mécke gefriess hunn? Huet dat en Afloss op d'Bestëbse vun de Planzen? Kuerz gesot: Maache mer eis sou net eventuell nach méi nei Problemer? Et ass dofir immens wichteg dass d’Method an d’Effekter vu potenziellen Uwendunge mol fir d’éischt richteg erfuerscht ginn, éier een direkt alles ausprobéiert an erlaabt.

Éier et zu genmanipuléierte Puppelcher oder enger Ausrottung vu Malariamécken kënnt musse fir d'éischt nach eng ganz Rei technesch Aspekter vun der Method am Labo ënnersicht ginn. D'Fuerscher vun der Studie mat den Embryoen, bei deenen eng Ierfkrankheet korrigéiert gouf, werfen an deem Kontext och eng Rei Bedenken a Risiken³ op. Wat awer sécher ass, ass dass CRISPR de Wëssenschaftler vill nei Méiglechkeete gëtt an hinnen d'Liewe vill méi einfach a spannend mëscht.

Fir weider Informatiounen: TED Talk vum Jennifer Doudna

Auteur: Sophie Steinmetz
D'Sophie studéiert Ökologie a Biodiversitéit zu Innsbruck. Am Moment ass et fir seng Masteraarbecht iwwer Äisalgen vill op Gletscher ënnerwee.

Editeur: Michèle Weber (FNR)
Photo: CRISPR/Cas9 © Wikimedia Commons, Sophie Steinmetz © Sophie Steinmetz
Quellen: 1. Hong Ma et al. Correction of Correction of a pathogenic gene mutation in human embryos (Nature, 2017), 2. Kaminsiki R. et al. Elimination of HIV-1 Genomes from Human T-lymphoid Cells by CRISPR/Cas9 Gene Editing (Sci Reports 2016), 3. Gute Aussichten für CRISPR/Cas9-Babys (Spektrum der Wissenschaft, 2017)