Stellen Sie sich vor, Sie könnten jede genetisch bedingte Krankheit heilen und verhindern Bakterien von resistent gegen Antibiotika, ändern Mücken so sie kann keine Malaria übertragen, Krebs verhindern oder Tierorgane erfolgreich in Menschen ohne Abstoßung transplantieren. Die molekulare Maschinerie, um diese Ziele zu erreichen, ist nicht das Zeug eines Science-Fiction-Romans, der in ferner Zukunft spielt. Dies sind erreichbare Ziele, die von einer Familie von ermöglicht werden DNA-Sequenzen genannt CRISPRs.
CRISPR (ausgesprochen "knuspriger") ist die Abkürzung für Clustered Regularly Interspaced Short Repeats, eine Gruppe von DNA-Sequenzen in Bakterien, die als Abwehrsystem gegen Viren fungieren, die ein Bakterium infizieren könnten. CRISPRs sind ein genetischer Code, der durch "Spacer" von Sequenzen von Viren, die ein Bakterium angegriffen haben, aufgebrochen wird. Wenn die Bakterien erneut auf das Virus treffen, fungiert ein CRISPR als eine Art Speicherbank, die die Verteidigung der Zelle erleichtert.
Die Entdeckung von DNA-Cluster-Wiederholungen erfolgte unabhängig in den 1980er und 1990er Jahren durch Forscher in Japan, den Niederlanden und Spanien. Das Akronym CRISPR wurde 2001 von Francisco Mojica und Ruud Jansen vorgeschlagen, um die Verwirrung zu verringern, die durch die Verwendung verschiedener Akronyme durch verschiedene Forschungsteams in der wissenschaftlichen Literatur verursacht wird. Mojica vermutete, dass CRISPRs eine Form von Bakterien waren erworbene Immunität. 2007 hat ein Team unter der Leitung von Philippe Horvath dies experimentell überprüft. Es dauerte nicht lange, bis Wissenschaftler einen Weg fanden, CRISPRs im Labor zu manipulieren und zu verwenden. Im Jahr 2013 veröffentlichte das Zhang-Labor als erstes eine Methode zur Entwicklung von CRISPRs für die Bearbeitung von Mäusen und humanen Genomen.
Im Wesentlichen bietet natürlich vorkommendes CRISPR eine Fähigkeit zum Suchen und Zerstören von Zellen. In Bakterien transkribiert CRISPR Spacersequenzen, die die Zielvirus-DNA identifizieren. Eines der von der Zelle produzierten Enzyme (z. B. Cas9) bindet dann an die Ziel-DNA und schneidet sie, wobei das Zielgen ausgeschaltet und das Virus deaktiviert wird.
Im Labor schneidet Cas9 oder ein anderes Enzym DNA, während CRISPR ihm sagt, wo er schnipsen soll. Anstatt virale Signaturen zu verwenden, passen die Forscher CRISPR-Spacer an, um nach interessierenden Genen zu suchen. Wissenschaftler haben Cas9 und andere Proteine wie Cpf1 so modifiziert, dass sie ein Gen entweder schneiden oder aktivieren können. Das Ein- und Ausschalten eines Gens erleichtert es Wissenschaftlern, die Funktion eines Gens zu untersuchen. Das Schneiden einer DNA-Sequenz erleichtert das Ersetzen durch eine andere Sequenz.
CRISPR ist nicht das erste Tool zur Bearbeitung von Genen in der Toolbox des Molekularbiologen. Andere Techniken zur Geneditierung umfassen Zinkfinger-Nukleasen (ZFN), Transkriptionsaktivator-ähnliche Effektor-Nukleasen (TALENs) und manipulierte Meganukleasen aus mobilen genetischen Elementen. CRISPR ist eine vielseitige Technik, da sie kostengünstig ist, eine große Auswahl an Zielen ermöglicht und Ziele anvisieren kann, auf die bestimmte andere Techniken nicht zugreifen können. Der Hauptgrund dafür ist jedoch, dass es unglaublich einfach zu entwerfen und zu verwenden ist. Alles, was benötigt wird, ist eine 20-Nucleotid-Zielstelle, die hergestellt werden kann durch die Erstellung eines Leitfadens. Die Mechanismen und Techniken sind so einfach zu verstehen und anzuwenden, dass sie in Lehrplänen für Biologie für Studenten zum Standard werden.
Forscher verwenden CRISPR, um Zell- und Tiermodelle zu erstellen, um krankheitsverursachende Gene zu identifizieren, Gentherapien zu entwickeln und Organismen mit wünschenswerten Eigenschaften zu konstruieren.
Offensichtlich sind CRISPR und andere Techniken zur Bearbeitung des Genoms umstritten. Im Januar 2017 schlug die US-amerikanische FDA Richtlinien vor, um den Einsatz dieser Technologien abzudecken. Andere Regierungen arbeiten ebenfalls an Vorschriften, um Nutzen und Risiken in Einklang zu bringen.