Michael Hänsel

CRISPR/Cas – die universelle Genschere der Gentechnik

Michael Hänsel

Als 1973 der Genetiker Stanley Cohen und der Biochemiker Herbert Wayne Boyer zeigten, dass Frosch-DNA in Bakterien eingeschleust und zur Expression gebracht werden kann, feierte der Forschungsbereich der Gentechnologie seinen ersten weltweiten Erfolg. Grund war der gezielte Einsatz sogenannter Restriktionsenzyme, die zuvor aus Bakterien gewonnen wurden und zum Schneiden von DNA Verwendung fanden. Dies kann als Anfang der Gentechnik bezeichnet werden. Seitdem änderte sich an der Technologie wenig. Die angewendeten Methoden waren weiterhin aufwendig, kostspielig und ungenau.
Dies änderte sich 2012 mit einer bahnbrechenden Entdeckung: Forschergruppen um Emmanuelle Charpentier (heute Max-Planck-Forschungsstelle für die Wissenschaft der Pathogene in Berlin) und Jennifer Doudna (University of Carlifornia, Berkley) entdeckten in Bakterien einen genetischen Mechanismus, mit dem ein Genom zielgenau verändert werden kann. Dies gilt als die Geburtsstunde der Methode CRISPR/Cas9.
Das „Immunsystem der Bakterien
Beide Forscherinnen beschäftigten sich intensiv mit der adaptiven Abwehr von viralen Infektionen in Bakterien und Archaeen. Im Regelfall erkennt die Gruppe der auf Bakterien spezialisierten Viren, der Bakteriophagen, Bakterien anhand ihrer Oberflächenproteine. Sie heften sich daraufhin an der Zellmembran dieser Bakterien an und befördern mit Druck ihr Virengenom in die Bakterienzelle. Das so eingebrachte virale Genom verändert die Genexpression der Bakterienzellen nachhaltig. Von nun an stellen sie ausschließlich virale Erbinformation und Virenhüllen her und replizieren neue Bakteriophagen.
Charpentier und Doudna stellten bei ihren unabhängig voneinander stattfindenden Forschungen fest, dass es den Bakterien dabei teilweise gelingt, sich gegen die Infektion von Bakteriophagen zu wehren. Verantwortlich dafür sind kurze DNA-Sequenzen, die wir als Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPR) bezeichnen. Wie der Name schon sagt, handelt es sich dabei um kurze, sich wiederholende DNA-Sequenzen, in denen sich wiederum kurze Zwischensequenzen viraler DNA befinden. Diese Sequenzen entstehen immer dann, wenn der Angriff eines Phagen durch bakterielle Enzyme abgewehrt wird, indem die bakteriellen Enzyme die eingedrungene Phagen-DNA erfolgreich zerstören. Winzige Anteile der viralen DNA werden dann in die CRISPR-Abschnitte inseriert. Dadurch entsteht wie beim Immunsystem des Menschen auch eine Art Gedächtnis des Bakteriums. Die adaptierte Wirtszelle „erinnert sich von nun an an die Infektion durch diesen speziellen Virus. So stellen die CRISPR-Abschnitte zusammen eine Art Bibliothek sämtlicher Viren dar, gegen das sich das Bakterium bereits erfolgreich zur Wehr gesetzt hat. Die CRISPR-Abschnitte können über Zellteilung an Nachkommen weitergegeben werden.
Die Funktionsweise von Cas9
Die Forschergruppen um Charpentier und Doudna weiteten ihre Untersuchungen auf einen Proteinkomplex namens Cas9 aus, eine Abkürzung für CRISPR-associated. Cas9 findet sich in Streptokokken und ist bei der Abwehr von viraler DNA aktiv. Im Laufe der Zeit stellten sie fest, dass eine adaptierte Wirtszelle ihre gesamten CRISPR-Sequenzen als RNA exprimiert, wenn sie erneut von einem Phagen angegriffen wird. Diese RNA interagiert dann mit dem Cas-Komplex. Als Einheit erkennen sie die Phagen-DNA, die zu der aus CRISPR entstammenden RNA homolog ist.
Cas9 wird von den RNA-Molekülen aus den CRISPR-Sequenzen zu einer bestimmten Stelle der Phagen-DNA geleitet, an dem der Cas-Komplex diese zerschneidet. Dazu wandert die Einheit aus Cas-Komplex und der aus CRISPR-Sequenzen exprimierten RNA über den viralen DNA-Strang. Trifft der Proteinkomplex auf eine aus drei Nukleotiden bestehende Signalsequenz, stoppt Cas9. Passt die dortige Basenabfolge zur Sequenzfolge der im Cas-Protein befindlichen RNA, schneidet Cas9 an dieser Stelle den DNA-Strang. Andernfalls wandert die Einheit weiter am viralen DNA-Strang bis...
Biologie 5-10
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Fakten zum Artikel
aus: Biologie 5-10 Nr. 29 / 2020

Forschung und Anwendung der Genetik

Beitrag aus Zeitschrift Biologie 5-10 Fachwissen Schuljahr 1-13
  • Autor/in: Michael Hänsel