Information

Wird CRISPR verwendet, wenn Wissenschaftler das CRISPR/Cas9-System verwenden, um Gene zu bearbeiten?

Wird CRISPR verwendet, wenn Wissenschaftler das CRISPR/Cas9-System verwenden, um Gene zu bearbeiten?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

"CRISPR" und "Cas9" sind verschiedene Dinge. Wenn ein Virus ein Bakterium angreift, speichert das Bakterium den Viruscode des Virus in CRISPR. Und wenn das Virus erneut angreift, verwendet das Cas9-Protein die RNA im CRISPR, um die virale DNA zu finden und dann zu zerstören.

Was also nützt CRISPR, wenn Wissenschaftler das CRISPR/Cas9-System verwenden, um Gene zu editieren, da wir dem Cas9-Protein bereits eine Leit-RNA gegeben haben?

Tut mir leid, wenn das eine dumme Frage ist, ich bin neu in der Gentechnik und konnte bei Google keine Antwort finden.


Erklärer: Wie CRISPR funktioniert

Wissenschaftler verwenden ein Tool namens CRISPR/Cas9, um DNA zu bearbeiten.

Teile das:

Wissenschaftler scheuen sich normalerweise davor, das Wort zu verwenden Wunder. Es sei denn, sie sprechen über das Gen-Editing-Tool namens CRISPR. „Mit CRISPR kann man alles machen“, sagen manche. Andere nennen es einfach unglaublich.

Tatsächlich überraschte es so viele Menschen und so schnell, dass Jennifer Doudna und Emmanuelle Charpentier nur acht Jahre nach ihrer Entdeckung den Nobelpreis für Chemie 2020 mit nach Hause nahmen.

CRISPR steht für „clustered regular interspaced short“ palindrom wiederholt.“ Diese Wiederholungen finden sich in der DNA von Bakterien. Sie sind eigentlich Kopien von kleinen Virusstücken. Bakterien verwenden sie wie Sammlungen von Fahndungsfotos, um schädliche Viren zu identifizieren. Cas9 ist ein Enzym die DNA zerschneiden können. Bakterien bekämpfen Viren, indem sie das Enzym Cas9 senden, um Viren zu zerkleinern, die ein Fahndungsfoto in der Sammlung haben. Wissenschaftler haben kürzlich herausgefunden, wie Bakterien dies tun. Jetzt verwenden Forscher im Labor einen ähnlichen Ansatz, um das Virenbekämpfungssystem der Mikrobe in das heißeste neue Laborwerkzeug zu verwandeln.

Dieses CRISPR/Cas9-Tool wurde erstmals 2012 und 2013 beschrieben. Wissenschaftslabore auf der ganzen Welt begannen bald damit, das Genom eines Organismus zu verändern – den gesamten Satz seiner DNA-Anweisungen.

Pädagogen und Eltern, melden Sie sich für den Spickzettel an

Wöchentliche Updates, die Ihnen bei der Verwendung helfen Wissenschaftsnachrichten für Studenten in der Lernumgebung

Dieses Tool kann fast jedes Gen in jeder Pflanze oder jedem Tier schnell und effizient optimieren. Forscher haben es bereits verwendet, um genetische Krankheiten bei Tieren zu beheben, Viren zu bekämpfen und Mücken zu sterilisieren. Sie haben es auch verwendet, um Schweineorgane für menschliche Transplantationen vorzubereiten und die Muskeln von Beagles zu stärken.

Die bisher größte Wirkung von CRISPR war in den Grundlagenlaboren der Biologie zu spüren. Dieser kostengünstige Gen-Editor ist einfach zu bedienen. Das hat es Forschern ermöglicht, in die grundlegenden Mysterien des Lebens einzutauchen. Und sie können dies auf eine Weise tun, die früher schwierig, wenn nicht unmöglich war.

Robert Reed ist Entwicklungsbiologe an der Cornell University in Ithaca, N.Y. Er vergleicht CRISPR mit einer Computermaus. "Sie können es einfach auf eine Stelle im Genom richten und an dieser Stelle alles tun, was Sie wollen."

Das bedeutete zunächst alles, was mit dem Schneiden von DNA zu tun hatte. CRISPR/Cas9 in seiner ursprünglichen Form ist ein Zielsuchgerät (der CRISPR-Teil), das eine molekulare Schere (das Cas9-Enzym) zu einem Zielabschnitt der DNA führt. Zusammen arbeiten sie als gentechnischer Marschflugkörper, der ein Gen deaktiviert oder repariert oder etwas Neues einfügt, wo die Cas9-Schere einige Schnitte gemacht hat. Neuere Versionen von CRISPR werden als „Basiseditoren“ bezeichnet. Diese können genetisches Material einzeln bearbeiten, ohne zu schneiden. Sie ähneln eher einem Bleistift als einer Schere.

So funktioniert das

Wissenschaftler beginnen mit RNA. Das ist ein Molekül, das die genetische Information in der DNA lesen kann. Die RNA findet die Stelle im Kern einer Zelle, in der eine Bearbeitungsaktivität stattfinden soll. (Der Zellkern ist ein Kompartiment in einer Zelle, in dem der größte Teil des genetischen Materials gespeichert ist.) Diese RNA führt Cas9 zu der genauen Stelle auf der DNA, an der ein Schnitt erforderlich ist. Cas9 schließt sich dann an die doppelsträngige DNA an und entpackt sie.

Dies ermöglicht es der Leit-RNA, sich mit einer bestimmten Region der DNA zu paaren, auf die sie abzielt. Cas9 schneidet die DNA an dieser Stelle. Dadurch entsteht ein Bruch in beiden Strängen des DNA-Moleküls. Die Zelle, die ein Problem erkennt, repariert den Bruch.

Das Beheben des Bruchs könnte ein Gen deaktivieren (am einfachsten). Alternativ kann diese Reparatur einen Fehler beheben oder sogar ein neues Gen einfügen (ein viel schwierigerer Prozess).

Zellen reparieren normalerweise einen Bruch in ihrer DNA, indem sie die losen Enden wieder zusammenkleben. Das ist ein schlampiger Prozess. Es führt oft zu einem Fehler, der ein Gen deaktiviert. Das mag nicht nützlich klingen – ist es aber manchmal.

Wissenschaftler schneiden DNA mit CRISPR/Cas9, um Genveränderungen vorzunehmen, oder Mutationen. Durch den Vergleich von Zellen mit und ohne Mutation können Wissenschaftler manchmal herausfinden, was die normale Rolle eines Proteins ist. Oder eine neue Mutation kann ihnen helfen, genetische Krankheiten zu verstehen. CRISPR/Cas9 kann auch in menschlichen Zellen nützlich sein, indem es bestimmte Gene deaktiviert – zum Beispiel solche, die bei Erbkrankheiten eine Rolle spielen.

„Das Original Cas9 ist wie ein Schweizer Taschenmesser mit nur einer Anwendung: Es ist ein Messer“, sagt Gene Yeo. Er ist RNA-Biologe an der University of California in San Diego. Aber Yeo und andere haben andere Proteine ​​und Chemikalien an die stumpfen Klingen geschraubt. Das hat dieses Messer in ein multifunktionales Werkzeug verwandelt.

CRISPR/Cas9 und verwandte Werkzeuge können jetzt auf neue Weise verwendet werden, beispielsweise durch das Ändern einer einzelnen Nukleotidbase – ein einzelner Buchstabe im genetischen Code – oder das Hinzufügen eines fluoreszierenden Proteins, um einen Punkt in der DNA zu markieren, den Wissenschaftler verfolgen möchten. Wissenschaftler können diese genetische Cut-and-Paste-Technologie auch verwenden, um Gene ein- oder auszuschalten.

Diese Explosion neuer Möglichkeiten zur Nutzung von CRISPR ist noch nicht beendet. Feng Zhang ist Molekularbiologe am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge. Er war einer der ersten Wissenschaftler, der die Cas9-Schere benutzte. „Das Feld entwickelt sich so schnell“, sagt er. „Wenn man sich nur ansieht, wie weit wir gekommen sind … ich denke, was wir in den nächsten Jahren sehen werden, wird einfach unglaublich sein.“

Diese Geschichte wurde am 8. Oktober 2020 aktualisiert, um die Entscheidung des Nobelkomitees zur Kenntnis zu nehmen, der Entdeckung von CRISPR den Chemiepreis 2020 zu verleihen.

Machtwörter

Anwendung Eine bestimmte Verwendung oder Funktion von etwas.

Base (in der Genetik) Eine verkürzte Version des Begriffs Nukleobase. Diese Basen sind Bausteine ​​von DNA- und RNA-Molekülen.

Biologie Das Studium der Lebewesen. Die Wissenschaftler, die sie untersuchen, sind bekannt als Biologen.

Cas9 Ein Enzym, das Genetiker jetzt verwenden, um Gene zu bearbeiten. Es kann DNA durchtrennen und so defekte Gene reparieren, neue einspleißen oder bestimmte Gene deaktivieren. Cas9 wird von CRISPRs, einer Art genetischer Führer, an den Ort gebracht, an dem es Schnitte machen soll. Das Enzym Cas9 stammt von Bakterien. Wenn Viren in ein Bakterium eindringen, kann dieses Enzym die DNA des Keims zerkleinern und unschädlich machen.

Zelle Die kleinste strukturelle und funktionelle Einheit eines Organismus. Normalerweise zu klein, um sie mit bloßem Auge zu erkennen, besteht sie aus einer wässrigen Flüssigkeit, die von einer Membran oder Wand umgeben ist. Tiere bestehen je nach Größe aus Tausenden bis Billionen von Zellen. Einige Organismen wie Hefen, Schimmelpilze, Bakterien und einige Algen bestehen aus nur einer Zelle.

chemisch Eine Substanz, die aus zwei oder mehr Atomen besteht, die sich in einem festen Verhältnis und einer festen Struktur vereinen (miteinander verbunden werden). Wasser ist beispielsweise eine Chemikalie, die aus zwei Wasserstoffatomen besteht, die an ein Sauerstoffatom gebunden sind. Sein chemisches Symbol ist H2O.

CRISPR Eine Abkürzung – ausgesprochen knackiger – für den Begriff „geclusterte, regelmäßig angeordnete kurze palindromische Wiederholungen“. Dies sind Stücke von RNA, einem informationstragenden Molekül. Sie werden aus dem Erbgut von Viren kopiert, die Bakterien infizieren. Wenn ein Bakterium auf ein Virus trifft, dem es zuvor ausgesetzt war, produziert es eine RNA-Kopie des CRISPR, die die genetische Information dieses Virus enthält. Die RNA leitet dann ein Enzym namens Cas9, um das Virus zu zerschneiden und unschädlich zu machen. Wissenschaftler bauen jetzt ihre eigenen Versionen von CRISPR-RNAs. Diese im Labor hergestellten RNAs leiten das Enzym an, bestimmte Gene in anderen Organismen zu schneiden. Wissenschaftler verwenden sie wie eine genetische Schere, um bestimmte Gene zu bearbeiten – oder zu verändern –, damit sie dann untersuchen können, wie das Gen funktioniert, Schäden an defekten Genen reparieren, neue Gene einfügen oder schädliche Gene deaktivieren können.

entwicklungsfördernd (in der Biologie) Ein Adjektiv, das sich auf die Veränderungen bezieht, die ein Organismus von der Empfängnis bis zum Erwachsenenalter durchmacht. Diese Veränderungen betreffen oft Chemie, Größe und manchmal sogar Form.

DNA (kurz für Desoxyribonukleinsäure) Ein langes, doppelsträngiges und spiralförmiges Molekül in den meisten lebenden Zellen, das genetische Anweisungen trägt. Es ist auf einem Rückgrat aus Phosphor, Sauerstoff und Kohlenstoffatomen aufgebaut. In allen Lebewesen, von Pflanzen und Tieren bis hin zu Mikroben, sagen diese Anweisungen den Zellen, welche Moleküle sie herstellen sollen.

Maschinenbau Das Forschungsgebiet, das Mathematik und Naturwissenschaften verwendet, um praktische Probleme zu lösen.

Gebiet Ein Studienfach, wie in: Ihr Forschungsgebiet war Biologie. Auch ein Begriff zur Beschreibung einer realen Umgebung, in der einige Forschungen durchgeführt werden, z. B. auf See, in einem Wald, auf einem Berggipfel oder auf einer Stadtstraße. Es ist das Gegenteil einer künstlichen Umgebung, etwa eines Forschungslabors.

fluoreszierend Kann Licht absorbieren und reemittieren. Dieses reemittierte Licht wird als Fluoreszenz bezeichnet.

Gen (adj. genetisch) Ein DNA-Segment, das für die Herstellung eines Proteins kodiert oder Anweisungen enthält. Nachkommen erben Gene von ihren Eltern. Gene beeinflussen, wie ein Organismus aussieht und sich verhält.

Genom Der vollständige Satz von Genen oder genetischem Material in einer Zelle oder einem Organismus. Die Untersuchung dieser genetischen Vererbung in Zellen wird als Genomik bezeichnet.

Muskel Eine Art von Gewebe, das verwendet wird, um durch Kontraktion seiner Zellen Bewegung zu erzeugen, bekannt als Muskelfasern. Muskeln sind reich an Proteinen, weshalb räuberische Arten nach Beute suchen, die viel dieses Gewebes enthält.

Mutation (v. mutate) Eine Veränderung, die an einem Gen in der DNA eines Organismus auftritt. Einige Mutationen treten natürlich auf. Andere können durch äußere Faktoren wie Umweltverschmutzung, Strahlung, Medikamente oder etwas in der Ernährung ausgelöst werden. Ein Gen mit dieser Veränderung wird als Mutante bezeichnet.

Kern Plural ist Kerne. (in der Biologie) Eine dichte Struktur, die in vielen Zellen vorhanden ist. Typischerweise ist der Kern eine einzelne abgerundete Struktur, die von einer Membran umgeben ist und die genetische Information enthält.

Organ (in der Biologie) Verschiedene Teile eines Organismus, die eine oder mehrere bestimmte Funktionen erfüllen. Zum Beispiel ist ein Eierstock ein Organ, das Eier produziert, das Gehirn ist ein Organ, das Nervensignale interpretiert und die Wurzeln einer Pflanze sind Organe, die Nährstoffe und Feuchtigkeit aufnehmen.

Palindrom (adj. palindromisch) Ein Wort, ein Name oder eine Phrase, die vorwärts oder rückwärts gelesen die gleiche Reihenfolge der Buchstaben haben. Zum Beispiel, Vati und Mama sind beides Palindrome.

Protein Verbindung aus einer oder mehreren langen Aminosäureketten. Proteine ​​sind ein wesentlicher Bestandteil aller lebenden Organismen. Sie bilden die Grundlage für lebende Zellen, Muskeln und Gewebe und verrichten auch die Arbeit im Inneren der Zellen. Das Hämoglobin im Blut und die Antikörper, die versuchen, Infektionen zu bekämpfen, gehören zu den bekannteren, eigenständigen Proteinen. Medikamente wirken häufig, indem sie sich an Proteine ​​binden.

RNA Ein Molekül, das hilft, die in der DNA enthaltene genetische Information zu „lesen“. Die molekulare Maschinerie einer Zelle liest DNA, um RNA zu erzeugen, und liest dann RNA, um Proteine ​​​​zu erzeugen.

Schild (in der Biologie) Um ein robustes Band oder Instrumentenpaket an einem Tier zu befestigen. Manchmal wird das Etikett verwendet, um jedem Einzelnen eine eindeutige Identifikationsnummer zu geben. Einmal am Bein, Ohr oder einem anderen Körperteil eines Lebewesens befestigt, kann es effektiv zum „Namen“ des Tieres werden. In einigen Fällen kann ein Tag auch Informationen aus der Umgebung des Tieres sammeln. Dies hilft Wissenschaftlern, sowohl die Umwelt als auch die Rolle des Tieres darin zu verstehen.

Zitate

Zeitschrift:​ S. Wanget al. Ein RNA-Aptamer-basiertes zweifarbiges CRISPR-Markierungssystem. Wissenschaftliche Berichte. vol. 6, 27. Mai 2016, S. 6 26857. doi: 10.1038/srep26857.

Zeitschrift:​ ​A. C. Komoret al. Programmierbares Editieren einer Zielbase in genomischer DNA ohne doppelsträngige DNA-Spaltung. Natur. vol. 533, 19. Mai 2016, online veröffentlicht 20. April 2016, S. 420. doi:10.1038/nature17946.

Zeitschrift:​ D. A. Nelles et al. Programmierbares RNA-Tracking in lebenden Zellen mit CRISPR/Cas9. Zelle. vol. 165, 7. April 2016, S. 165 488. doi: 10.1016/j.cell.2016.02.054.

Über Tina Hesman Saey

Tina Hesman Saey ist die leitende Mitarbeiterin und berichtet über Molekularbiologie. Sie hat einen Ph.D. in Molekulargenetik von der Washington University in St. Louis und einen Master-Abschluss in Wissenschaftsjournalismus der Boston University.

Klassenzimmer-Ressourcen für diesen Artikel Weitere Informationen

Für diesen Artikel stehen kostenlose Ressourcen für Lehrkräfte zur Verfügung. Registrieren Sie sich für den Zugriff:


Chemie-Nobel 2020 setzt auf CRISPR, das Gen-Editing-Tool

Emmanuelle Charpentier und Jennifer Doudna entwickelten ein leistungsstarkes Werkzeug zur Genbearbeitung namens CRISPR/Cas9 (illustriert). In weniger als einem Jahrzehnt hat es die Molekulargenetik und Gentherapie revolutioniert. Es brachte den Wissenschaftlern auch den Nobelpreis für Chemie 2020 ein.

Meletios Verras/iStock/Getty Images Plus

Teile das:

Jennifer Doudna und Emmanuelle Charpentier haben dazu beigetragen, eine bakterielle Abwehr zu einem der mächtigsten Werkzeuge der Genetik zu machen. Für ihre Bemühungen haben sie gerade den Nobelpreis für Chemie 2020 erhalten.

Erklärer: Der Nobelpreis

„Die genetische Schere wurde erst vor acht Jahren entdeckt“, sagt Pernilla Wittung-Stafshede. Sie ist Mitglied des Nobelkomitees für Chemie. Sie stellt fest, dass diese „fantastische“ Schere DNA dort schneiden kann, wo Sie wollen. Damit haben sie „die Lebenswissenschaften revolutioniert“, sagt sie. „Wir können Genome jetzt ganz einfach nach Belieben bearbeiten – etwas, das vorher schwer oder sogar unmöglich war.“

Wittung-Stafshede sprach auf einer Pressekonferenz der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften am 7. Oktober in Stockholm. Der Preis wurde bei dieser Veranstaltung bekannt gegeben. „Nur die Vorstellungskraft setzt die Grenzen dafür, wofür dieses chemische Werkzeug … in Zukunft verwendet werden kann“, sagte sie. „Vielleicht wird der Traum von der Heilung genetischer Krankheiten wahr.“ Sie warnt jedoch davor, dass Ethik und Recht herangezogen werden sollten, um zu entscheiden, wo und wie ein so mächtiges Instrument eingesetzt werden sollte.

Der Sieg wurde „sehr mit Spannung erwartet“, fügt Luis Echegoyen hinzu. Er ist Chemiker an der University of Texas in El Paso und Präsident der American Chemical Society. Auch wenn die Zeit von der Entdeckung bis zum Nobelpreis in der Regel viel länger ist, ist diese Auszeichnung für CRISPR „lang überfällig“, sagt er.

Doudna und Charpentier teilen sich den Preis von 10 Millionen schwedischen Kronen, etwa 1,1 Millionen US-Dollar.

Emmanuelle Charpentier (links) und Jennifer Doudna (rechts) haben sich zusammengetan, um ein bakterielles Abwehrsystem in einen Gen-Editor zu verwandeln. Von links: ©Helmholtz/Hallbauer&Fioretti Sam Willard/Sam Willard Photography, Berkeley

Von Mikroben lernen

Bakterien und Archaeen verwenden CRISPR/Cas9 seit Millionen – vielleicht Milliarden – von Jahren zur Bekämpfung von Viren.

Erklärer: Wie CRISPR funktioniert

CRISPR steht für Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats. Im Wesentlichen sind diese kurzen, sich wiederholenden Teile der DNA-Sandwich-Bakterien-Version der FBI-Liste der meistgesuchten: eindringende Viren. Jedes Mal, wenn Bakterien auf ein Virus stoßen, machen sie ein DNA-Fahndungsfoto davon und legen es zwischen den Wiederholungen ab. Wenn die Bakterien das nächste Mal auf dieses Virus stoßen, erstellen sie RNA-Kopien der Fahndungsfotos. Diese RNA-Fotokopien verbinden sich dann mit einem weiteren Stück RNA. Es ist als transaktivierende CRISPR-RNA oder tracrRNA bekannt. Und es sendet ein Bulletin mit allen Punkten, das als Leit-RNA bekannt ist. Leit-RNAs transportieren dann ein DNA-schneidendes Enzym – Cas9 – zum Virus. Dort zerhackt das Enzym und beseitigt die Bedrohung.

Molekulare Schere

CRISPR/Cas9 ist ein zweiteiliges Gen-Editing-Tool. Der erste Teil besteht aus einem genetischen Leitfaden aus RNA. Der zweite Teil ist ein Enzym, Cas 9, das DNA schneidet. Die Leit-RNA bringt das Enzym an eine bestimmte Stelle in der DNA eines Organismus, die die Forscher schneiden möchten (siehe die Zielsequenz hier). Dieser Fleck ist eine chemische Übereinstimmung mit der RNA. Einmal an die richtige Stelle bewegt, schneidet Cas9 die DNA.

Wie CRISPR/Cas9 funktioniert

E. Otwell

E. Ottwell

Doudna arbeitet an der University of California, Berkeley. Heute leitet Charpentier das Max-Planck-Institut für Infektionsbiologie in Berlin. Die beiden trafen sich 2011 auf einer Konferenz in Puerto Rico. „Wir sind durch Old San Juan gelaufen und haben über CRISPR/Cas9 gesprochen“, erinnerte sich Doudna während einer virtuellen Pressekonferenz am 7. Oktober. Die beiden beschlossen, sich zusammenzuschließen, um das bakterielle Abwehrsystem zu untersuchen. Am Ende verwandelten sie es in einen Gen-Editor.

Ihre Innovation bestand darin, die Fahndungsfoto-RNA mit der tracrRNA zu fusionieren. Dies erzeugte eine einzelne Leit-RNA. Und die Forscher erkannten, dass die Fahndungsfotos keine molekularen Bilder von Viren sein mussten. Stattdessen könnten die Wissenschaftler Cas9 anweisen, dieses Gen – oder wirklich jedes beliebige Gen – auszuschneiden, indem sie das Fahndungsfoto durch RNA ersetzen, die zu einem Gen passt.

Pädagogen und Eltern, melden Sie sich für den Spickzettel an

Wöchentliche Updates, die Ihnen bei der Verwendung helfen Wissenschaftsnachrichten für Studenten in der Lernumgebung

Ihre Bedeutung war von Anfang an klar

Das große Papier, das Doudna und Charpentier dazu veröffentlichten, wurde mehr als 9.500 Mal zitiert. Das sei seit der ersten Veröffentlichung im Jahr 2012 fast alle acht Stunden der Fall, sagt David Liu. Er ist chemischer Biologe und Forscher des Howard Hughes Medical Institute an der Harvard University in Cambridge, Massachusetts. (Er und andere haben das ursprüngliche CRISPR-System so verändert, dass Forscher es auf verschiedene Weise nutzen können.)

Das Versprechen von CRISPR war sofort offensichtlich, sagt Stanley Qi. Heute ist er Bioingenieur und Biotechnologe an der Stanford University in Kalifornien. Aber er war Student in Doudnas Labor gewesen. Dort hatte er einen Sitzplatz am Ring zur Entdeckung. Und Qi sagt, er habe damals gewusst, dass CRISPR Großes bewirken würde. „In diesen acht Jahren gab es so viele Durchbrüche und Fortschritte“, sagt er, „das hat meine Erwartungen weit übertroffen.“

Doudna und Charpentier „haben sich weiterhin mit der breiten Kategorie der CRISPR-Enzyme befasst“, sagt Qi. Ihre fortlaufende Arbeit hat zu neuen Erkenntnissen darüber beigetragen, wie sich dieses System entwickelt hat und in der Natur funktioniert. Doudna hat Arbeit geleistet, um zu zeigen, wie das Cas9 aussieht und wie es funktioniert. Ihre Arbeit half anderen Wissenschaftlern, CRISPR genauer zu machen, sagt er.

Erklärer: Was sind Gene?

Viele Forscher haben diese genetische Schere nun zum nächsten Schritt getrieben, indem sie CRISPR/Cas9 verwenden, um Gene in menschlichen Zellen zu schneiden und zu bearbeiten. Wissenschaftler schwärmen davon, wie günstig und einfach es ist, CRISPR zu verwenden. Damit haben Forscher Gene in einer Vielzahl von Tieren bearbeitet, darunter Hunde, Mäuse, Schnecken, Kühe und Mücken.

Das Tool wurde auch verwendet, um Daten zu kodieren und Filme in bakterieller DNA zu speichern. Auch Pflanzen und Pilze haben die CRISPR-Behandlung erhalten. Und der Geneditor wurde verwendet, um menschliche Immunzellen umzuprogrammieren, um Krebs zu bekämpfen und Krebszellen gegeneinander zu wenden.

Schnippeln oder nicht schnippeln? Das ist hier die Frage

Die große Macht von CRISPR hat große Kontroversen ausgelöst. Das warnen Doudna und Co-Autor Samuel Sternberg in ihrem Buch von 2017 Ein Riss in der Schöpfung: Die neue Macht zur Kontrolle der Evolution. Einige glauben, dass der Geneditor verwendet werden könnte, um gefährdeten Arten zu helfen oder Mücken davon abzuhalten, Krankheiten zu übertragen. Solche Bemühungen könnten jedoch sogar das Aussterben ganzer Arten oder ökologische Katastrophen verursachen. Wissenschaftler haben bereits kleine Mückenpopulationen im Labor ausgerottet.

Am umstrittensten ist, dass ein Wissenschaftler in China Gene in menschlichen Embryonen bearbeitet hat. Die Tests brachten 2018 Zwillingsbabys hervor. Die Gegenreaktion gegen seine Aktionen war schnell und laut. Einige Leute forderten ein Verbot der Gen-Editierung von Babys.

Die enorme Kraft von CRISPR „bedeutet, dass wir es mit größter Sorgfalt einsetzen müssen“, sagt Claes Gustafsson. Er ist Vorsitzender des Nobelkomitees für Chemie. „Aber es ist ebenso klar, dass dies eine Technologie ist … die der Menschheit große Möglichkeiten bieten wird“, sagte er auf einer Pressekonferenz am 7. Oktober.

Es laufen bereits klinische Studien, um die Fähigkeit von CRISPR/Cas9 zur Behandlung von Krebs, Sichelzellanämie, erblicher Blindheit und mehr zu testen. Bei Erfolg kann die Gen-Editierung bisher nicht behandelbare genetische Erkrankungen behandeln oder sogar heilen.

CRISPR hat sogar bei der Coronavirus-Pandemie eine Rolle gespielt. Einige diagnostische Tests für COVID-19 und Therapien in der Entwicklung basieren auf der CRISPR-Technologie.

Nur fünf Frauen außer Doudna und Charpentier haben jemals den Nobelpreis für Chemie gewonnen.

Doudna: „Ich denke, viele Frauen haben das Gefühl, dass ihre Arbeit nie so anerkannt wird, wie sie es wäre, wenn sie ein Mann wären. Ich möchte diese Veränderung sehen und hoffe, dass dies ein Schritt in die richtige Richtung ist.“

Die Mitarbeiterin Maria Temming hat zu dieser Geschichte beigetragen.

Machtwörter

Bakterien: (adj: bakteriell) Einzeller. Diese leben fast überall auf der Erde, vom Meeresboden bis in andere lebende Organismen (wie Pflanzen und Tiere). Bakterien sind eine der drei Lebensbereiche auf der Erde.

Bioingenieur: Jemand, der Ingenieurwissenschaften anwendet, um Probleme in der Biologie oder in Systemen zu lösen, die lebende Organismen verwenden.

Biologie: Das Studium der Lebewesen. Die Wissenschaftler, die sie untersuchen, sind bekannt als Biologen.

Biotechnologe: Ein Wissenschaftler, der lebende Zellen verwendet, um nützliche Dinge herzustellen.

Cas9: Ein Enzym, das Genetiker jetzt verwenden, um Gene zu bearbeiten. Es kann DNA durchtrennen und so defekte Gene reparieren, neue einspleißen oder bestimmte Gene deaktivieren. Cas9 wird von CRISPRs, einer Art genetischer Führer, an den Ort gebracht, an dem es Schnitte machen soll. Das Enzym Cas9 stammt von Bakterien. Wenn Viren in ein Bakterium eindringen, kann dieses Enzym die DNA des Keims zerkleinern und unschädlich machen.

Zelle: Die kleinste strukturelle und funktionelle Einheit eines Organismus. Normalerweise zu klein, um mit bloßem Auge zu sehen, besteht es aus einer wässrigen Flüssigkeit, die von einer Membran oder Wand umgeben ist. Tiere bestehen je nach Größe aus Tausenden bis Billionen Zellen. Die meisten Organismen wie Hefen, Schimmelpilze, Bakterien und einige Algen bestehen aus nur einer Zelle.

chemisch: Eine Substanz, die aus zwei oder mehr Atomen besteht, die sich in einem festen Verhältnis und einer festen Struktur vereinen (binden). Wasser ist beispielsweise eine Chemikalie, die entsteht, wenn zwei Wasserstoffatome an ein Sauerstoffatom binden. Seine chemische Formel ist H2O. Chemical kann auch ein Adjektiv sein, um Eigenschaften von Materialien zu beschreiben, die das Ergebnis verschiedener Reaktionen zwischen verschiedenen Verbindungen sind.

Chemie: Das Wissenschaftsgebiet, das sich mit der Zusammensetzung, Struktur und Eigenschaften von Stoffen und deren Wechselwirkungen beschäftigt. Wissenschaftler nutzen dieses Wissen, um unbekannte Substanzen zu untersuchen, große Mengen an nützlichen Substanzen zu reproduzieren oder neue und nützliche Substanzen zu entwerfen und zu schaffen. (über Verbindungen) Chemie wird auch als Begriff verwendet, um sich auf die Rezeptur einer Verbindung, die Art und Weise, wie sie hergestellt wird, oder einige ihrer Eigenschaften zu beziehen. Menschen, die in diesem Bereich arbeiten, werden als Chemiker bezeichnet. (in der Sozialwissenschaft) Ein Begriff für die Fähigkeit von Menschen, zusammenzuarbeiten, miteinander auszukommen und die Gesellschaft des anderen zu genießen.

klinische Studie: Eine Forschungsstudie, an der Menschen beteiligt sind.

Mitverfasser: Einer aus einer Gruppe (zwei oder mehr Personen), die zusammen eine schriftliche Arbeit wie ein Buch, einen Bericht oder eine Forschungsarbeit verfasst haben. Möglicherweise haben nicht alle Koautoren gleichermaßen beigetragen.

Coronavirus: Eine Familie von Viren, die nach den kronenartigen Stacheln auf ihrer Oberfläche benannt sind (Corona bedeutet auf Latein „Krone“). Coronaviren verursachen Erkältungen. Zur Familie gehören auch Viren, die weitaus schwerwiegendere Infektionen verursachen, darunter SARS.

COVID-19: Ein Name, der dem Coronavirus gegeben wurde, das ab Dezember 2019 einen massiven Ausbruch einer potenziell tödlichen Krankheit verursachte. Zu den Symptomen gehörten Lungenentzündung, Fieber, Kopfschmerzen und Atembeschwerden.

CRISPR: Eine Abkürzung – ausgesprochen knackiger – für den Begriff „geclusterte, regelmäßig angeordnete kurze palindromische Wiederholungen“. Dies sind Stücke von RNA, einem informationstragenden Molekül. Sie können ein Enzym namens Cas9 anleiten, genetisches Material wie eine Schere zu durchschneiden. Auf diese Weise können sie bestimmte Gene bearbeiten – oder verändern –, um dann zu untersuchen, wie diese Gene funktionieren, Schäden an defekten Genen reparieren, neue Gene einfügen oder schädliche Gene deaktivieren.

DNA: (kurz für Desoxyribonukleinsäure) Ein langes, doppelsträngiges und spiralförmiges Molekül in den meisten lebenden Zellen, das genetische Anweisungen trägt. Es ist auf einem Rückgrat aus Phosphor, Sauerstoff und Kohlenstoffatomen aufgebaut. In allen Lebewesen, von Pflanzen und Tieren bis hin zu Mikroben, sagen diese Anweisungen den Zellen, welche Moleküle sie herstellen sollen.

ökologisch: Ein Adjektiv, das sich auf einen Zweig der Biologie bezieht, der sich mit den Beziehungen von Organismen untereinander und zu ihrer physikalischen Umgebung beschäftigt. Ein Wissenschaftler, der auf diesem Gebiet arbeitet, wird Ökologe genannt.

Embryo: Die frühen Stadien eines sich entwickelnden Organismus oder Tieres mit einem Rückgrat, bestehend aus nur einer oder wenigen Zellen. Als Adjektiv wäre der Begriff embryonal – und könnte verwendet werden, um sich auf die frühen Stadien oder das Leben eines Systems oder einer Technologie zu beziehen.

gefährdet: Ein Adjektiv, das verwendet wird, um Arten zu beschreiben, die vom Aussterben bedroht sind.

Enzyme: Moleküle, die von Lebewesen hergestellt werden, um chemische Reaktionen zu beschleunigen.

Ethik: (adj. ethisch) Ein Verhaltenskodex für den Umgang von Menschen mit anderen und ihrer Umwelt. Um ethisch zu handeln, sollten Menschen andere fair behandeln, Betrug oder Unehrlichkeit in jeder Form vermeiden und vermeiden, mehr als ihren gerechten Anteil an Ressourcen zu nehmen oder zu verbrauchen (das heißt, um Gier zu vermeiden). Ethisches Verhalten würde auch andere nicht gefährden, ohne die Menschen vorher auf die Gefahren aufmerksam zu machen und sie dazu zu bringen, die potenziellen Risiken zu akzeptieren. Experten, die auf diesem Gebiet arbeiten, werden als Ethiker bezeichnet.

Evolution: (v. zu entwickeln) Ein Prozess, durch den sich Arten im Laufe der Zeit verändern, normalerweise durch genetische Variation und natürliche Selektion. Diese Veränderungen führen normalerweise zu einem neuen Organismus, der besser für seine Umgebung geeignet ist als der frühere. Der neuere Typ ist nicht unbedingt „fortschrittlicher“, sondern nur besser an die besonderen Bedingungen seiner Entwicklung angepasst.

ausgestorben: Ein Adjektiv, das eine Art beschreibt, für die es keine lebenden Mitglieder gibt.

Sicherung: (v.) Zwei Dinge zusammenführen, oft entlang einer Naht.

Gen: (Adj. genetisch) Ein DNA-Segment, das für die Produktion eines Proteins durch eine Zelle kodiert oder Anweisungen enthält. Nachkommen erben Gene von ihren Eltern. Gene beeinflussen, wie ein Organismus aussieht und sich verhält.

Gen-Editierung: Die bewusste Einführung von Genveränderungen durch Forscher.

Genom: Der vollständige Satz von Genen oder genetischem Material in einer Zelle oder einem Organismus. Die Untersuchung dieser genetischen Vererbung in Zellen wird als Genomik bezeichnet.

immun: (adj.) Hat mit Immunität zu tun. (v.) Kann eine bestimmte Infektion abwehren. Alternativ kann dieser Begriff verwendet werden, um zu bedeuten, dass ein Organismus keine Auswirkungen durch die Exposition gegenüber einem bestimmten Gift oder Verfahren zeigt. Allgemeiner ausgedrückt kann der Begriff signalisieren, dass etwas durch ein bestimmtes Medikament, eine bestimmte Krankheit oder eine bestimmte Chemikalie nicht verletzt werden kann.

Infektion: Eine Krankheit, die sich von einem Organismus auf einen anderen ausbreiten kann. Es wird normalerweise durch eine Art von Keim verursacht.

Innovation: (v. innovieren adj. innovativ) Eine Anpassung oder Verbesserung einer bestehenden Idee, eines Prozesses oder eines Produkts, die neu, clever, effektiver oder praktischer ist.

Einblick: Die Fähigkeit, durch bloßes Nachdenken ein genaues und tiefes Verständnis einer Situation zu erlangen, anstatt durch Experimente eine Lösung zu erarbeiten.

Mikrobe: Abkürzung für Mikroorganismus. Ein Lebewesen, das zu klein ist, um es mit bloßem Auge zu sehen, darunter Bakterien, einige Pilze und viele andere Organismen wie Amöben. Die meisten bestehen aus einer einzelnen Zelle.

Nobelpreis: Eine renommierte Auszeichnung, benannt nach Alfred Nobel. Am besten bekannt als Erfinder des Dynamits, war Nobel ein wohlhabender Mann, als er am 10. Dezember 1896 starb. In seinem Testament hinterließ Nobel einen Großteil seines Vermögens, um Preise an diejenigen zu vergeben, die ihr Bestes für die Menschheit auf den Gebieten der Physik getan haben. Chemie, Physiologie oder Medizin, Literatur und Frieden. Die Gewinner erhalten eine Medaille und einen großen Geldpreis.

Pandemie: Eine Epidemie, die einen großen Teil der Bevölkerung eines Landes oder der Welt betrifft.

RNA: Ein Molekül, das hilft, die in der DNA enthaltene genetische Information zu „lesen“. Die molekulare Maschinerie einer Zelle liest DNA, um RNA zu erzeugen, und liest dann RNA, um Proteine ​​​​zu erzeugen.

Sichelzellenanämie: Eine genetische Erkrankung, die die Fähigkeit des Körpers beeinträchtigt, normales Hämoglobin zu produzieren – das sauerstofftragende Protein in den roten Blutkörperchen. Menschen mit dieser Krankheit erben von jedem Elternteil ein defektes Gen. Mindestens eines dieser Gene bewirkt, dass der Körper einer Person das sogenannte Hämoglobin S bildet. Jemand, der ein Hämoglobin-S-Gen von beiden Elternteilen erbt, entwickelt die häufigste (und im Allgemeinen schwerste) Form der Krankheit: die Sichelzellenanämie. Es ändert die Form eines roten Blutkörperchens von einer Scheibenform zu einer steifen halbmondförmigen – oder „sichelförmigen“ Zelle. Diese missgebildeten Zellen leben nicht so lange wie normale Zellen. Noch wichtiger ist, dass sie in Blutgefäßen stecken bleiben, schmerzhafte Krisen verursachen und eine stationäre Behandlung erforderlich machen.

Spezies: Eine Gruppe ähnlicher Organismen, die in der Lage sind, Nachkommen zu produzieren, die überleben und sich fortpflanzen können.

Technologie: Die Anwendung wissenschaftlicher Erkenntnisse für praktische Zwecke, insbesondere in der Industrie – oder die daraus resultierenden Geräte, Verfahren und Systeme.

virtuell: Fast wie etwas sein. Ein Objekt oder Konzept, das praktisch real ist, wäre fast wahr oder real – aber nicht ganz. (in Computing) Dinge, die in oder durch digitale Verarbeitung und/oder das Internet durchgeführt werden. An einer virtuellen Konferenz können beispielsweise Personen teilnehmen, die sie über das Internet verfolgen.

Virus: Winzige infektiöse Partikel bestehend aus RNA oder DNA, die von Protein umgeben sind. Viren können sich nur vermehren, indem sie ihr genetisches Material in die Zellen von Lebewesen einschleusen. Obwohl Wissenschaftler Viren häufig als lebend oder tot bezeichnen, ist tatsächlich kein Virus wirklich lebendig. Es frisst nicht wie Tiere oder stellt seine eigene Nahrung her, wie es Pflanzen tun. Es muss die Zellmaschinerie einer lebenden Zelle entführen, um zu überleben.

Zitate

Bekanntmachung:​ Nobelpreis.org. Der Nobelpreis für Chemie. Online veröffentlicht am 7. Oktober 2020.

Zeitschrift:​ ​​M. Jinek et al. Eine programmierbare duale RNA-gesteuerte DNA-Endonuklease in der adaptiven bakteriellen Immunität. Wissenschaft. vol. 337, 17. August 2012, S. 337 816. doi: 10.1126/science.1225829.

Über Tina Hesman Saey

Tina Hesman Saey ist die leitende Mitarbeiterin und berichtet über Molekularbiologie. Sie hat einen Ph.D. in Molekulargenetik von der Washington University in St. Louis und einen Master-Abschluss in Wissenschaftsjournalismus der Boston University.

Klassenzimmer-Ressourcen für diesen Artikel Weitere Informationen

Für diesen Artikel stehen kostenlose Ressourcen für Lehrkräfte zur Verfügung. Registrieren Sie sich für den Zugriff:


CRISPR-Cas-Systeme als adaptive Immunantwort

Als CRISPR-Systeme erstmals entdeckt wurden, galten sie als neuartiger DNA-Reparaturmechanismus in thermophilen Archaeen und Bakterien. [4] In den frühen 2000er Jahren stellten Mojica und Mitarbeiter fest, dass die Spacer-Sequenzen Sequenzen ähnelten, die in Bakteriophagen, Viren und Plasmiden gefunden wurden. Sie entdeckten, dass Viren keine Bakterien tragenden homologen Spacer-Sequenzen infizieren können, was darauf hindeutet, dass diese Sequenzen eine Rolle im adaptiven Immunsystem von Prokaryonten spielen. [1] Kurz gesagt, wenn ein Virus einen Prokaryoten infiziert, werden die Spacer-Sequenzen in CRISPR-Arrays transkribiert, um kurze CRISPR-RNA (crRNA) zu erzeugen, die das CRISPR-assoziierte Sequenzprotein (Cas) anleitet, komplementäre DNA- oder RNA-Virussequenzen zu spalten, je nachdem zum Typ des CRISPR-Cas-Systems. Auf diese Weise fungieren CRISPR-Cas-Systeme als Abwehrmechanismus, um wiederholte Infektionen mit demselben Virus zu verhindern.


Was machen wir mit CRISPR/Cas9?

Die meisten Experimente verwenden Mausembryonen oder Zellen, die in Petrischalen in einer künstlichen Flüssigkeit gezüchtet werden, die wie Blut aussehen soll. Other researchers are modifying stem cells that may then be re-injected into patients to repopulate damaged organs.

Only a few labs around the world are actually working with early human embryos. This research is highly regulated and carefully watched. Others work on plant cells, as whole plants can be grown from a few cells.

As we learn more, the scope of what we can do with CRISPR/Cas9 will improve. We can do a lot, but every organism and every cell is different. What’s more, everything in the body is connected, so we must think about unexpected side effects and consider the ethics of changing genes. Most of all we, as a society, should discuss and agree what we wish to achieve.

Read the other articles in our precision medicine series here.


Nobel Prize in Chemistry Goes to Discovery of &lsquoGenetic Scissors&rsquo Called CRISPR/Cas9

This year&rsquos Nobel Prize in Chemistry was awarded for the discovery of the CRISPR/Cas9 gene editing system, which has&mdashfor the first time&mdashenabled scientists to make precise changes in the long stretches of DNA that make up the code of life for many organisms, including people. The prize was shared by Emmanuelle Charpentier, a microbiologist and director of the Berlin-based Max Planck Unit for the Science of Pathogens, and Jennifer A. Doudna, a professor and biochemist at the University of California, Berkeley. The scientists will split the prize money of 10 million Swedish kronor, or a little more than $1.1 million.

This CRISPR tool, often described as &ldquogenetic scissors,&rdquo has been used by plant researchers to develop crops that withstand pests and drought, and it could transform agriculture. In medicine, the method is involved in clinical trials of new cancer therapies. And researchers are trying to employ it to cure certain inherited diseases. &ldquoIt is being used all over science,&rdquo says Claes Gustafsson, chair of the Nobel Committee for Chemistry.

Nearly a decade ago Charpentier discovered a previously unknown molecule, tracrRNA, in bacteria. She learned that this molecule was part of an immune system in the microbes that helps them fight off viruses by cleaving viral DNA. The mechanism the microbes use to do so is called CRISPR. At about the same time, Doudna was mapping the cas proteins, a series of enzymes associated with CRISPR that snip apart DNA at specific spots. The two scientists began collaborating in 2011, after meeting at a conference in Puerto Rico where they went to a café in San Juan and talked about the overlap in their work. They succeeded in making these genetic scissors in a laboratory, and in reprogramming them to cut DNA at whatever spot the scientists selected.

This is the first time the chemistry Nobel has gone to two women. Charpentier, reached by phone this morning, said, &ldquoI&rsquom very happy this prize goes to two women. I hope it provides a positive message for young girls, young women, who wish to follow the path of science.&rdquo Doudna, speaking at a press conference earlier today, echoed that thought. &ldquoI&rsquom delighted to inspire the next generation, if possible,&rdquo she said.

Luis Echegoyen, president of the American Chemical Society, notes that &ldquofor a long time women have been nominated, but few have obtained the prize.&rdquo The Nobels began in 1901, and there were only five female winners in chemistry before Charpentier and Doudna. This disparity reflected a bias against women rather than the quality of their science, Echegoyen says. Times may be changing, however: Frances Arnold of the California Institute of Technology won the chemistry award in 2018 for her work on directed evolution.

CRISPR &ldquois very selective, very exquisite chemistry,&rdquo Echegoyen says. &ldquoKnowing the chemistry behind things allows you to control the biology. And it lets you understand the different functions of genes. Charpentier and Doudna were absolutely at the core of this discovery.&rdquo A third scientist, Feng Zhang of the Broad Institute of the Massachusetts Institute of Technology and Harvard University, has also claimed major credit for work on CRISPR&rsquos discovery and use. And the dispute is currently being waged in legal battles over U.S. patents. But the Nobel committee did not mention Zhang and focused solely on Charpentier and Doudna. The duo has been on a prizewinning streak: During the past five years, the two won a Breakthrough Prize in Life Sciences, a Wolf Prize in Medicine and a Kavli Prize in Nanoscience (that last award was shared with Virginijus &Scaronik&scaronnys, a biochemist who worked on CRISPR independently.) They were also named Japan Prize winners.

The Nobel chemistry committee felt that Charpentier and Doudna&rsquos work, though relatively recent, &ldquohad already benefited humankind greatly,&rdquo said committee member Pernilla Wittung Stafshede during today&rsquos announcement. There are already many dozens of applications. Angela Zhou, an information scientist at CAS (Chemical Abstracts Service), a division of the American Chemical Society that tracks discoveries and technologies in that field through mentions in journals and patents, says a few of them stand out. CRISPR, she says, has been used to &ldquomodify immune cells to make them more effective at destroying cancer cells and to remove the HIV virus when it has integrated itself into the human genome. And CRISPR-based drugs are being developed to treat heart disease, blood disorders and blindness.&rdquo

In her press conference, Doudna said that it is relatively easy to get the genome editing molecules into eye cells and blood cells, so genetic eye diseases and blood illnesses such as sickle cell disease are most amenable to CRISPR-based therapies. &ldquoFurther out, it can be used on neurodegenerative diseases, where there is a great need,&rdquo she said. Amid the COVID-19 pandemic, the technology is being used to develop diagnostic tests to detect the novel coronavirus. Charpentier also noted that CRISPR is now being employed in basic research on the virus to search for molecules that help the pathogen replicate.

The use of CRISPR has generated significant controversy in addition to plaudits, Doudna acknowledged. Scientists have utilized the technique to edit genes in human sperm and egg cells. And a researcher in China used gene editing on viable human embryos, creating a storm of condemnation and worry about babies &ldquodesigned&rdquo to have particular qualities. &ldquoIt&rsquos important to have responsible use of this technology in the future,&rdquo said Doudna, who has been involved in scientific groups that have crafted ethical guidelines. She supports making careful changes to sperm and egg cells for therapeutic purposes&mdashto prevent inherited diseases&mdashbut opposes employing CRISPR or related techniques for human enhancement.

Both scientists said they were not expecting to hear from Sweden this morning. Charpentier, calling in to the Nobel announcement, acknowledged that her name and Doudna&rsquos had surfaced as potential winners in recent years. &ldquoIt was mentioned to me a number of times, perhaps more than I would like,&rdquo she said. Still, she noted, she had not thought this would be her year. &ldquoWhen I got the call this morning I was very emotional. I was surprised,&rdquo Charpentier said. But &ldquoit&rsquos real now.&rdquo

Editor&rsquos Note (10/7/20): This article has been updated after posting to include comments from Luis Echegoyen, Pernilla Wittung Stafshede and Jennifer A. Doudna.


EINLEITUNG

The development of high precision genome editing tools like targeted nucleases has accelerated advances in fundamental plant science and crop breeding (Zhang, Massel, Godwin, & Gao, 2018 ). Clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR), and its CRISPR-associated protein (Cas), is an RNA-guided nuclease developed from the microbial adaptive immune system by repurposing for genome editing (Barrangou & Marraffini, 2014 ). CRISPR-Cas technologies can facilitate efficient genome engineering within eukaryotic cells (Komor, Badran, & Liu, 2017 ). Precise targeting of the Cas9 protein is achieved by specifying a 20-nucleotide (nt) targeting sequence within its single guide RNA (sgRNA Ran et al., 2013 ). The application of genome editing tools such as CRISPR-Cas9 in genetic studies and for engineering crops with desirable traits has become a major focus of plant scientists and precision plant breeders alike (Borrill, 2020 ). The induction of targeted site-specific double stranded breaks in DNA and the subsequent repair through direct ligation sometimes results in errors such as insertions or deletions (indels) leading to a loss of gene function (knockouts Rodgers & McVey, 2016 ).

Modern domesticated wheats are derivatives from ancient hybridization events between ancestral progenitor species. The two most extensively cultivated wheats are the tetraploid durum or pasta wheat (Triticum turgidum ssp. durum L.) and hexaploid bread wheat (Triticum aestivum L.) (Matsuoka, 2011 ). Both species have large genomes—durum, ∼12 and hexaploidy, ∼16 Gbp—consisting mostly of repetitive elements. Within these polyploid species each gene usually exists as two copies in the tetraploid durum wheat or as three in hexaploid bread wheat. Homoeologous gene copies are usually highly conserved in gene structure and sequence among the subgenomes (>95% Adamski et al., 2020 ).

The first reported use of CRISPR-Cas9 to produce a stably genome edited wheat plant was the targeted knockout of the Mildew Locus O (Mlo), conferring resistance to the powdery mildew pathogen Blumeria graminis f.sp. tritici (Bgt), this was achieved in combination with an earlier gene editing technology, transcription activator-like effector nucleases (TALEN Wang et al., 2014 ). Since this first report, wheat genes of agronomical and fundamental scientific interest have been targeted using CRISPR-Cas9 technology, such as α-gliadin genes to lower gluten grain content (Sánchez-León et al., 2018 ), TaGW2 to increase grain weight (Zhang, Li, et al., 2018 ), TaZIP4-B2 to understand meiotic homologous crossover (Rey et al., 2018 ), TaQsd1 to reduce preharvest sprouting (Abe et al., 2019 ), TaMTL und CENH3 for haploid plant induction (Liu et al., 2019 Lv et al., 2020 ).

Here, we describe experimentally derived protocols for the selection of sgRNA targets, construct assembly, and screening analysis for genome editing in hexaploid wheat.


Tool for gene discovery

Scientists have long sought after this sort of genome editing tools for living cells. Two other technologies, called zinc-finger nucleases and TALEN (transcription activator-like effector nuclease) are available to achieve the same result. However, the CRISPR technology is much easier to generate and manipulate. This means that most biological research laboratories can carry out the CRISPR experiments.

As a result, CRISPR technology has been quickly adopted by scientists all over the world and put it into various tests. It has been demonstrated to be effective in genome editing of most experimental organisms, including cells derived from insects, plants, fish, mice, monkeys and humans.

Such broad successes in a short period of time imply we’ve arrived at a new genome editing era, promising fast-paced development in biomedical research that will bring about new therapeutic treatments for various human diseases.

Jennifer Doudna from the University of California Berkeley, who was one a co-inventor of the CRISPR, recently called for caution in using the gene-editing technology on human cells. US Department of Energy

The CRISPR technology offers a novel tool for scientists to address some of the most fundamental questions that were difficult, if not impossible, to address before.

For instance, the whole human genomic DNA sequence had been deciphered many years ago, but the majority of information embedded on the DNA fragments are largely unknown. Now, the CRISPR technology is enabling scientists to study those gene functions. By eliminating or replacing specific DNA fragments and observing the consequences in the resulting cells, we can now link particular DNA fragments to their biological functions.

Recently, cells and even whole animals with desired genome alterations have successfully been generated using the CRISPR technology. This has proven highly valuable in various biomedical research studies, such as understanding the cause and effect relationship between specific DNA changes and human diseases. Studying DNA in this way also sheds light on the mechanisms underlying how diseases develop and provides insights for developing new drugs that eliminate specific disease symptoms.

With such profound implications in medical sciences, many biotech and pharmaceutical companies have now licensed the CRISPR technology to develop commercial products.

For example, a biotech company, Editas Medicine, was founded in 2013 with the specific goal of creating treatments for hereditary human diseases employing the CRISPR technology.

However, products derived from the use of CRISPR technology are yet to hit the market with FDA approval.


What is CRISPR?

CRISPR is a technology that can be used to edit genes and, as such, will likely change the world.

The essence of CRISPR is simple: it’s a way of finding a specific bit of DNA inside a cell. After that, the next step in CRISPR gene editing is usually to alter that piece of DNA. However, CRISPR has also been adapted to do other things too, such as turning genes on or off without altering their sequence.

There were ways to edit the genomes of some plants and animals before the CRISPR method was unveiled in 2012 but it took years and cost hundreds of thousands of dollars. CRISPR has made it cheap and easy.

CRISPR is already widely used for scientific research, and in the not too distant future many of the plants and animals in our farms, gardens or homes may have been altered with CRISPR. In fact, some people already are eating CRISPRed food.

Werbung

CRISPR technology also has the potential to transform medicine, enabling us to not only treat but also prevent many diseases. We may even decide to use it to change the genomes of our children. An attempt to do this in China has been condemned as premature and unethical, but some think it could benefit children in the future.

CRISPR is being used for all kinds of other purposes too, from fingerprinting cells and logging what happens inside them to directing evolution and creating gene drives.

The key to CRISPR is the many flavours of “Cas” proteins found in bacteria, where they help defend against viruses . The Cas9 protein is the most widely used by scientists. This protein can easily be programmed to find and bind to almost any desired target sequence, simply by giving it a piece of RNA to guide it in its search.

When the CRISPR Cas9 protein is added to a cell along with a piece of guide RNA, the Cas9 protein hooks up with the guide RNA and then moves along the strands of DNA until it finds and binds to a 20-DNA-letter long sequence that matches part of the guide RNA sequence. That’s impressive, given that the DNA packed into each of our cells has six billion letters and is two metres long.

What happens next can vary. The standard Cas9 protein cuts the DNA at the target. When the cut is repaired, mutations are introduced that usually disable a gene. This is by far the most common use of CRISPR. It’s called genome editing – or gene editing – but usually the results are not as precise as that term implies.

CRISPR can also be used to make precise changes such as replacing faulty genes – true genome editing – but this is far more difficult.

Customised Cas proteins have been created that do not cut DNA or alter it in any way, but merely turn genes on or off : CRISPRa and CRISPRi respectively. Yet others, called base editors, change one letter of the DNA code to another .

So why do we call it CRISPR? Cas proteins are used by bacteria to destroy viral DNA. They add bits of viral DNA to their own genome to guide the Cas proteins, and the odd patterns of these bits of DNA are what gave CRISPR its name: clustered regularly interspaced short palindromic repeats. Michael Le Page


Related

Wyss Institute
Center for Life Science Bldg.
3 Blackfan Circle
Boston, MA 02115
Map and directions


Schau das Video: Genome Editing with CRISPR-Cas9 (Oktober 2022).