Alles Wissenswerte zum Wissen über CRISPR, das neue Tool, dass Bearbeitungen DNA


CRISPR, einem neuen Genom editing-Tool, dem Gebiet der Biologie verwandeln könnten – und eine aktuelle Studie an menschlichen Embryonen genetisch manipuliert hat dieses Versprechen in Medien-Hype umgewandelt. Aber Wissenschaftler haben schon basteln mit Genome seit Jahrzehnten. Warum ist CRISPR plötzlich so eine große Sache?

Die kurze Antwort ist, dass CRISPR Wissenschaftler Genome mit bisher unerreichter Präzision, Effizienz und Flexibilität zu bearbeiten. Die letzten Jahren haben eine Flut von "Premieren" mit CRISPR, von der Erstellung von Affen mit gezielten Mutationen zur Verhinderung von HIV-Infektionen in menschlichen Zellen gesehen. Anfang des Monats angekündigt chinesische Wissenschaftler, dass sie die Technik auf abgestorbenem menschlicher Embryonen angewendet Anspielungen auf CRISPR Potenzial, genetische Krankheiten zu heilen. Und ja, es könnte sogar zu Designer-Babys. (Obwohl, wie die Ergebnisse dieser Studie zeigen, ist es noch lange nicht bereit für die Arztpraxis.)

Kurz gesagt, ist CRISPR weit besser als ältere Techniken für gen Spleißen und bearbeiten. Und weißt du was? Wissenschaftler hat es erfunden.

CRISPR/Cas9 kommt von Streptokokken-Bakterien...

CRISPR ist eigentlich ein natürlich vorkommendes, alten Abwehrmechanismus in ein breites Spektrum von Bakterien gefunden. So weit Rückseite der 1980er Jahre beobachteten Wissenschaftler eine seltsame Muster in einigen bakteriellen Genome. Eine DNA-Sequenz würde mit einzigartigen Sequenzen zwischen den Wiederholungen immer und immer wieder wiederholt werden. Sie nannten diese seltsame Konfiguration "gruppierten regelmäßig dazwischen kurze palindromische Wiederholungen" oder CRISPR.

Dies war alles rätselhaft, bis Wissenschaftler erkannte die einzigartige Sequenzen zwischen den Wiederholungen abgestimmt die DNA der Viren – insbesondere Viren, die Beute auf Bakterien. Es stellt sich heraus CRISPR ist ein Teil des Immunsystems die Bakterien, die Bits von gefährlichen Viren um hält, so kann es zu erkennen und verteidigen gegen diese Viren wieder angreifen. Der zweite Teil des Abwehrmechanismus ist eine Reihe von Enzymen namens Cas (CRISPR -alsMusikdienst Proteine), die genau DNA schnippeln und schneiden die Hölle aus eindringenden Viren können. Die Gene, die für Cas kodieren sitzen bequem, immer irgendwo in der Nähe der CRISPR Sequenzen.

Hier ist, wie sie zusammenarbeiten, um Viren, deaktivieren wie Carl Zimmer elegant in Quanten erklärt:

Die CRISPR-Region mit Virus DNA füllt, wird es eine molekulare Most-wanted-Galerie, repräsentieren die Feinde, die die Mikrobe gestoßen ist. Die Mikroben können dann diese virale DNA, um Cas Enzyme in präzisionsgelenkter Waffen zu verwandeln. Die Mikrobe kopiert das genetische Material in jeder Abstandhalter in ein RNA-Molekül. CAS Enzyme dann eines der RNA-Moleküle nehmen und Wiege es. Gemeinsam treiben die virale RNA und die Cas -Enzyme durch die Zelle. Wenn sie genetisches Material von Viren, die die CRISPR-RNA entspricht auftreten, die Riegel der RNS auf fest. Die Cas -Enzyme hacken dann die DNA in zwei, verhindert, dass das Virus repliziert.

Gibt es eine Anzahl Cas Enzyme, aber die bekannteste heißt Cas9. Es kommt von Streptococcus Pyogenes, besser bekannt als die Bakterien, die Streptokokken verursacht. Zusammen bilden sie das CRISPR/Cas9 System, obwohl es oft auf nur CRISPR verkürzt ist.

Bild oben: Screenshot aus diesem MIT Video erklärt CRISPR

Es ist eine genauere Möglichkeit der Bearbeitung des Genoms...

Als dieser Punkt kann man die Punkte verbinden: Cas9 ist ein Enzym, das Scheren DNA und CRISPR ist eine Sammlung von DNA-Sequenzen, die Cas9 genau, wo Sie schnippeln erzählt. Alle Biologen tun müssen, ist Cas9 in der richtigen Reihenfolge, genannt ein Führer RNS und Boom, füttern Sie können Ausschneiden und einfügen Bits der DNA-Sequenz in das Genom, wo immer Sie wollen.

DNA ist eine sehr lange Zeichenfolge von vier verschiedenen Basen: A, T, C und G. andere Enzyme in der Molekularbiologie verwendet einen Schnitt jedes Mal, wenn sie sehen, sagen wir, eine TCGA Sequenz, going, wilden und Würfeln, das gesamte Genom machen könnte. Das CRISPR/Cas9-System tun nicht das.

Cas9 erkennt eine Sequenz etwa 20 Basen lang, so dass sie besser auf ein bestimmtes Gen zugeschnitten werden kann. Alles, was Sie tun müssen, ist Design eine Zielsequenz über ein Online-Tool und bestellen Sie den Guide RNA zu entsprechen. Es dauert nicht länger als einige Tage für die Führer-Sequenz durch Post ankommt. Sie können auch ein defektes Gen reparieren, indem Sie es mit CRISPR/Cas9 Ausschneiden und Injektion eine normale Kopie davon in eine Zelle. Gelegentlich, aber schneidet das Enzym noch an der falschen Stelle, ist einer der Stolpersteine für den breiten Einsatz, vor allem in der Klinik.

... ...und viel effizienter...


Mäuse, deren Gene verändert wurden, oder "ausgeschlagen" (deaktiviert) sind die Arbeitspferde für die biomedizinische Forschung. Es dauert über ein Jahr, neue Linien genetisch veränderte Mäuse mit traditionellen Techniken zu etablieren. Aber es dauert nur wenige Monate mit CRISPR/Cas9, die Leben von vielen Mäusen zu schonen und sparen Zeit.

Traditionell erfolgt eine Knockout-Maus mit embryonalen Stammzellen (ES). Forscher die veränderte DNA-Sequenz in Mausembryonen injizieren und hoffen, dass sie durch einen seltenen Prozess namens homologe Rekombination integriert werden. Einige der ersten Generation Mäuse werden Chimären, ihre Körper eine Mischung aus Zellen mit und ohne die mutierten Sequenz. Nur einige der Chimären haben Fortpflanzungsorgane, die Spermien mit mutierten Sequenz zu machen. Forscher züchten diese Chimären mit normalen Mäusen eine zweite Generation, und hoffen, dass einige von ihnen sind heterozygot, aka tragen eine normale Kopie des Gens und eine mutierte Kopie des Gens in jeder Zelle. Wenn Sie zwei von diesen heterozygote Mäuse zusammen zu züchten, werden Sie glücklich, eine dritte Generation Maus mit zwei Kopien des mutierten Gens zu erhalten. So dauert es mindestens drei Generationen von Mäusen, Ihre experimentellen Mutant für Forschung zu erhalten. Hier wird es in einer Chronik zusammengefasst:

Aber hier ist wie eine Knockout-Maus mit CRISPR hergestellt wird. Forscher injizieren der CRISPR/Cas9-Sequenzen in Mausembryonen. Das System bearbeitet sowohl Kopien eines Gens zur gleichen Zeit, und Sie erhalten die Maus in einer Generation. Mit CRISPR/Cas9, können Sie auch ändern, sagen wir, fünf Gene auf einmal, während Sie haben musste, dass gleiche mühsame, Multi-Generations fünfmal vor dem verarbeiten.

CRISPR ist auch effizienter als die zwei anderen Genom engineering Techniken genannt Zink finger Nuklease (ZFN) und Transkription Aktivator-ähnliche Effektor Nukleasen (TALENs). ZFN und TALENs können längere DNA-Sequenzen zu erkennen und sie theoretisch besser Spezifität als CRISPR/Cas9, aber sie haben auch einen großen Nachteil. Wissenschaftler haben eine speziell angefertigte ZFN oder TALEN Protein jedes Mal erstellen, und sie haben oft mehrere Varianten zu erstellen, bevor Sie zu finden, die funktioniert. Es ist viel einfacher, eine RNA-Führer-Sequenz für CRISPR/Cas9 zu schaffen, und es ist viel wahrscheinlicher, zu arbeiten.

... ...und kann in jedem Organismus verwendet werden

Die meisten Experimente sind auf eine begrenzte Anzahl von Modellorganismen gemacht: Mäuse, Ratten, Zebrafisch, Fruchtfliegen und ein Fadenwurm C. Elegansgenannt. Das ist vor allem, weil diese die Organismen sind, Wissenschaftler am ehesten studiert haben und wissen, wie genetisch zu manipulieren.

Aber mit CRISPR/Cas9, ist es theoretisch möglich, die Genome von Tieren unter der Sonne zu ändern. Dazu gehören Menschen. CRISPR könnte eines Tages halten die Heilung einer beliebigen Anzahl von genetischen Erkrankungen, aber natürlich menschliche genetischer Manipulation ist ethisch behaftet und noch lange nicht immer Routine.

Näher an der Realität sind andere gentechnisch veränderten Lebewesen – und nicht nur diejenigen in den Labors. CRISPR könnte eine Hauptkraft in Ökologie und Naturschutz, vor allem in Kombination mit anderen molekularbiologischen Werkzeugen. Es könnte beispielsweise verwendet werden, Gene einzuführen, die die Moskitos, die Malaria verbreitet langsam abzutöten. Oder Gene, die invasive Arten wie Unkraut Bremsen. Es könnte sein, dass beim nächsten großen Sprung in der Erhaltung oder Verbesserung unserer Umwelt – eine ganz neue Schachtel mit Risiken und Chancen eröffnen.

Mit den menschlichen Embryo bearbeiten Aktuelles hat eine Menge der Berichterstattung CRISPR als zukünftige medizinische Behandlung erhalten. Aber mit Schwerpunkt auf Medizin allein ist engstirnig. Präzise Genom Engineering hat das Potenzial, nicht nur uns, sondern die ganze Welt und ihrer Ökosysteme verändern.

Mehr lesen:

"Durchbruch DNA Editor getragen von Bakterien" — Quanten, Carl Zimmer

"Ein CRISPR für-CAS-t" – Wissenschaftler, Carina Storrs

"Genetisch Technik fast alles" – NOVA weiter, Tim De Chant und Eleanor Nelsen

Dieser Beitrag wurde aktualisiert, um klarzustellen, dass die Anzahl von Basenpaaren in RNA Webguide CRISPR/Cas9 unterscheidet sich von der Anzahl von Basenpaaren, die es in einer Zielsequenz erkennt.

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