Funktionsweise

CRISPR/Cas ist eine revolutionäre Genschere. Sie ist billiger, schneller und vor allem präziser als alle anderen Methoden der Erbgutveränderung.

 

Warum ist das so? 

Nun ja, die neue enzymatische Genschere ist programmierbar. Alle anderen Schneideenzyme vorher hatten jeweils eine spezifische, sechs Basen lange Sequenz, die sie dann schnitten. Das Cas-Enzym aber lässt sich auf jeden beliebigen DNA-Abschnitt zwischen 20 und 24 Basenpaaren ansetzen. Deswegen ist es auch sehr präzise. Eine bestimmte Basenfolge von 24 Paaren kommt im Genom nun mal seltener vor als eine von sechs.

 

Die Genschere ist unter anderem auch so genau, da der Schnitt in der DNA von einem Enzym vorgenommen wird. Diese hochkomplexen Proteine binden sehr spezifisch an einen Stoff. In unserem Fall ist das vorgegebenes Erbgut. Das schneidende Cas-Enzym lässt sich programmieren in dem man den zu schneidenden Abschnitt als RNA an das Protein anhängt. Die einsträngige Sonde (guide-RNA) verbindet man mit dem Enzym mittels der haarnadelförmigen tracr-RNA. Wenn wir die Genschere nun in die zu verändernde Zelle einbringen, macht sie sich zielgerichtet auf die Suche. Hat sie die DNA gefunden, die komplementär zu der Sonde ist, bindet sie. Das geschieht, indem das Cas-Enzym am sogenannten PAM ansetzt und dann dahinter die DNA der Länge nach aufspießt. 

Bei dem PAM handelt es sich um eine Basensequenz zwischen 2 und 6 Paaren, die vom Enzym erkannt wird und an der die Genschere bindet. Ohne PAM kein Schnitt im Erbgut. Bakterien besitzen in ihrem Genom keinen solchen PAM für ihr Virenabwehrenzym, weshalb sie sicher vor Schnitten in den eigenen Genen sind. 

Nachdem das Cas-Protein die DNA in zwei Einzelstränge getrennt hat, bindet es selbst mit seiner angehängten Sonde und ist so im Gen verankert. Nun werden die Stränge hinter dem PAM im aktiven Zentrum des Enzyms gebrochen, indem die Verbindung zwischen dem Zucker und dem Phosphatrest aufgetrennt wird. So ist das Rückgrat der DNA kaputt.

 

Was kann man jetzt damit machen?

Es gibt zwei Möglichkeiten. Entweder man wartet, bis die Reparaturmechanismen des Organismus die losen DNA-Enden wieder verbindet. Damit ist der größte Schaden zwar repariert, aber es können Fehler entstehen. Diese Fehler führen zu einem defekten Gen, damit ist dieses Gen „ausgeschaltet“ (ausgeknocked). Aber es wäre ziemlich langweilig, wenn man mit der neuen Technik nur Gene an- und ausschalten kann. Deswegen wartet man gar nicht erst ab, dass sich die Stränge wieder verbinden, sondern gibt die DNA dazu, die man gerne an der Stelle hätte. Die synthetische DNA muss dem zu verändernden Abschnitt insofern gleichen, dass die offenen Enden die gleichen Basen enthalten. Dann erkennt die Zelle, dass sie die Fremd-DNA einbauen kann, um sich Arbeit zu ersparen. So können wir einfacher, präziser und billiger ganze Gene verändern.

 

Natürlich läuft das System auch nicht komplett fehlerfrei. Das Cas-Enzym schneidet auch mal an einer falschen Stelle. Diese sogenannten Off-Target-Effekte werden gerade untersucht und versucht zu minimieren. Dennoch ist CRISPR/Cas äußerst präzise und wird durch Wissenschaftler in Zukunft weiter verbessert werden.