CRISPR

Ein System, das als „Genschere“ wirkt, ist CRISPR/Cas. Wie genau funktioniert sie und wo kommt sie vor? Das erklären wir dir in diesem Beitrag. 

Was ist CRISPR?

Eine neue Methode, um die DNA ganz gezielt wie mit einer Schere zu zerschneiden, ist das CRISPR/Cas-System. CRISPR beschreibt ursprünglich DNA-Abschnitte im Erbgut von Bakterien. Als Teil von CRISPR/Cas bilden die Abschnitte das Immunsystem der Bakterien und helfen ihnen, sich gegen Viren zu verteidigen. 

Das System kann aber auch in der Gentechnik dazu eingesetzt werden, DNA an bestimmten Stellen zu durchtrennen. So lassen sich Gene verändern, entfernen oder neu einfügen. Das kann zum Beispiel in der Pflanzenzüchtung oder zur Behandlung von Krankheiten zum Einsatz kommen.

CRISPR Struktur

Schauen wir uns zunächst an, wie das Abwehrsystem in der DNA der Bakterien aufgebaut ist. 

Der CRISPR-Genlocus (Genort) setzt sich aus drei verschiedenen Bauteilen zusammen. Sie alle sind wichtig für die Funktion des Systems: 

• CRISPR-Array: 

Er besteht aus sich abwechselnden „Spacern“ und „Repeats„. Unter den „Repeat-Sequenzen“ verstehst du kurze (23-47 Basenpaar lange) DNA-Abschnitte, die eine palindromische Struktur haben. Das bedeutet, sie sind von vorne wie von hinten gelesen gleich (z.B. Otto). Sie werden unterbrochen durch etwa gleich lange, variable Abschnitte („Spacer“). Die Spacer stammen aus dem Erbgut der Viren, die in die Bakterien eingedrungen sind. Daher auch der Name CRISPR, kurz für „Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats“. Das beschreibt die kurzen sich wiederholenden Palindrome, die durch die Viren-DNA unterbrochen werden. 

• Leader-Sequenz: 

Das ist ein DNA-Abschnitt, der als Basen vor allem Adenin (A) und Thymin (T) enthält. Er wirkt als Promotor (Startregion), um das Ablesen des CRISPR-Locus zu ermöglichen. 

• Cas-Gene: 

Neben den CRISPR-Genen sind die Cas-Gene eine weitere Gruppe von Genen, die notwendig sind, damit das Zerschneiden der DNA funktioniert. Ihr Name ist die Kurzform für CRISPR-assozierte (Cas) Gene . Sie enthalten die Bauanleitung für Enzyme , die für das Viren-Abwehrsystem wichtig sind. Dazu gehören zum Beispiel Endonukleasen, die den DNA-Strang durchschneiden, oder Helikasen, die den Strang entwinden können. 

CRISPR/Cas – natürliche Aufgabe

Nicht nur wir Menschen können krank werden, sondern auch die Bakterien . Das passiert, wenn sie von Viren (bei Bakterien auch Bakteriophagen) infiziert werden. 

Viren können nämlich an Bakterien „andocken“ und ihr Erbgut wie mit einer Spritze in die Bakterien injizieren. Das führt dazu, dass die Bakterien das virale Erbgut vervielfältigen. Dadurch können sie neue Viren produzieren, was für die Bakterien meistens tödlich ist. 

Daher nutzen Bakterien CRISPR/Cas-Systeme, um sich gegen Bakteriophagen zu verteidigen. Das läuft in drei Phasen ab: 

1. Akquisition: Die Bakterien bauen kurze Abschnitt der Virus-DNA als Spacer in ihr eigenes Genom ein. Das dient ihnen als eine Art „Gedächtnis“. 
2. Expression: Es erfolgt die Herstellung der Cas-Proteine und der RNA. Sie dient als Vorlage, sodass die Cas-Proteine die Ziel-DNA finden. 
3. Interferenz: Bei erneutem Eindringen des gleichen Virus, erkennen die Bakterien die fremden DNA-Sequenzen. Dann zerschneiden sie den Strang, um sie unschädlich zu machen. 

Dabei kannst du verschiedene Klassen an Systemen unterscheiden. Bakterien der Klasse I verwenden Cas-Proteinkomplexe aus mehreren Proteinen, während die der Klasse II nur ein Protein zum Schneiden brauchen. 

CRISPR/Cas Funktionsweise

Die einzelnen Bestandteile müssen zusammen arbeiten, um gezielt die fremden DNA-Sequenzen abzubauen. Das läuft folgendermaßen ab: 

Zunächst wird der CRISPR-Array abgelesen und es entsteht eine lange Vorläufer-RNA. Du kannst sie als prä-crRNA (CRISPR RNA) bezeichnen. Die palindromischen Repeats können darin sogenannte Haarnadelstrukturen (Schleifen) bilden.

Dann wird der lange Strang zu kürzeren Stücken (crRNAs), die jeweils einen Spacer enthalten, zurechtgeschnitten. Beim Typ-II System wird dazu außerdem das Protein Cas9, eine tracrRNA (trans-encoded crRNA) und die RNaseIII benötigt. 

Die RNA-Moleküle weisen den Cas-Proteinen wie Cas9 dann den Weg zu der DNA-Sequenz, die sie zerschneiden sollen. Um nicht aus Versehen eigene DNA mit derselben Sequenz zu zerschneiden, gibt es eine zweite Sequenz, die erkannt werden muss. Du bezeichnest sie als PAM-Sequenz, kurz für „protospacer-adjacent motif“. Darunter verstehst du einen DNA-Abschnitt, der aus drei DNA-Basen besteht.

Nur wenn er benachbart zur Erkennungssequenz vorkommt, wird der DNA-Doppelstrang aufgewunden. Dann können sich die RNA-Moleküle an das komplementäre DNA-Stück anlagern. Daraufhin zerschneidet das Enzym beide Stränge der DNA. Es entsteht ein Doppelstrangbruch. 

CRISPR Cas9 Methode

Das Prinzip findet sich nicht nur in Bakterien, sondern kann auch zur gezielten Veränderung der DNA in der Gentechnik („genome editing“) eingesetzt werden. Für die Entdeckung des CRISPR Editors („Bearbeiter“) gewannen zwei Forscherinnen im Jahr 2020 den Nobelpreis.

Sie verwenden das CRISPR/Cas9-System, um Gene gezielt zu verändern, einzufügen oder zu entfernen. Das funktioniert in drei Schritten: 

1. Ziel-Erkennung: Das Cas9-Protein erkennt mithilfe der integrierten „Guide-RNA“ die Schnittstelle in der Ziel-DNA. Die Guide-RNA (crRNA und trcrRNA) und die DNA passen genau zusammen. 
2. DNA Schneiden: Die Endonuklease Cas9 zerschneidet beide Stränge des DNA-Doppelstrangs (= Doppelstrangbruch). 
3. Reparatur: Die Reparatur des Doppelstrangbruchs kann entweder zufällig (nicht-homolog) oder gezielt (homolog) erfolgen. Bei der zufälligen Reparatur werden die Stränge entweder direkt zusammengefügt, sodass ein Stück fehlt, oder es werden zufällig neue Basenpaare eingesetzt. Beides hat zur Folge, dass das Gen inaktiviert wird. Unter der Vorlage homologer Sequenzen kann der Bruch aber auch gezielt repariert werden. Dann kann ein neues Gen oder eine veränderte Form des Gens (Mutation ) eingefügt werden. 

Methoden der Gentechnik

Damit stellt die Genschere CRISPR eine Methode der Gentechnik dar. Im Vergleich zu anderen Techniken ermöglicht sie es, noch gezieltere Genveränderungen vorzunehmen. 

Das ist zum Beispiel in der Genforschung wichtig, um die Funktion bestimmter Gene aufzuklären. Aber auch die Herstellung gentechnisch veränderter (transgener) Pflanzen oder Tiere wird hierdurch einfacher und präziser. 

Außerdem können Krankheiten bei Menschen geheilt werden, indem fehlerhafte Gene ausgeschaltet oder fehlende Gene eingefügt werden. So konnte man zum Beispiel schon Menschen, die an Muskelschwund (Muskeldystrohpie Duchenne) leiden, helfen.