Gentechnik eröffnet der Menschheit die Möglichkeit, bisher nicht existierende Organismen zu schaffen und genetisch bedingte Krankheiten zu zerstören. Die Dinge sind jedoch nicht so rosig, da selbst die bahnbrechende CRISPR / Cas9-Technologie alles andere als perfekt ist. Die Fehler, die sie macht, mögen selten sein, aber einer reicht aus, um für eine Person tödlich zu werden. Lenta.ru spricht darüber, was mit CRISPR nicht stimmt und wie Wissenschaftler versuchen, die Situation zu beheben.
Das CRISPR / Cas9-System - eine Art DNA-Schere - gilt zu Recht als Revolution auf dem Gebiet der Gentechnik. Mit seiner Hilfe können Wissenschaftler das menschliche Genom bearbeiten, schädliche Mutationen entfernen und so unangenehme und tödliche Erbkrankheiten behandeln. Man sollte jedoch nicht denken, dass es vorher keine solchen Methoden gab. Im Arsenal der Genetiker befanden sich beispielsweise Nukleasen, die Zink- "Finger" enthielten, und Endonukleasen - Enzyme, die DNA-Moleküle an bestimmten Stellen brechen. In Bezug auf Genauigkeit, Vielseitigkeit und Kosten sind sie CRISPR / Cas9 deutlich unterlegen, obwohl letzteres alles andere als perfekt ist.
CRISPR / Cas9 wurde ursprünglich nicht von Wissenschaftlern, sondern von Natur aus entwickelt. Es ist ein molekularer Mechanismus, der in Bakterien vorhanden ist und es ihnen ermöglicht, Bakteriophagen und andere Parasiten zu bekämpfen. In der Tat wirkt es als Immunität gegen Infektionen. CRISPR (steht für "kurze palindromische Wiederholungen, die regelmäßig in Gruppen angeordnet sind") sind spezielle Regionen (Loci) der DNA. Sie enthalten kurze Fragmente von DNA-Viren, die einst die Vorfahren der heutigen Bakterien infizierten, aber durch ihre innere Abwehr besiegt wurden. Diese Teile werden als Abstandshalter bezeichnet und durch wiederholte Sequenzen voneinander getrennt.
Wenn ein Bakteriophage in ein Bakterium eindringt, werden jede sich wiederholende Sequenz und jeder benachbarte Spacer als Matrize für die Synthese von Molekülen verwendet, die als crRNAs bezeichnet werden. Es werden viele verschiedene RNA-Ketten gebildet, die an das Cas9-Protein binden, dessen Aufgabe äußerst einfach ist: die DNA des Virus zu schneiden. Dies wird er jedoch erst tun können, wenn crRNA ein komplementäres Fragment viraler DNA gefunden hat. Nachdem Cas9 die fremde Nukleinsäure auseinandergebrochen hat, wird diese durch andere Nukleasen vollständig zerstört.
CRISPR / Cas9 ist gerade für seine Genauigkeit gut, denn für Bakterien ist die korrekte Funktion des Immunsystems eine Frage von Leben und Tod. Das "Antiviren" -System muss einen Teil der viralen DNA unter einer Million anderen finden und vor allem nicht mit seinem eigenen Genom verwechseln. In Millionen von Jahren der Evolution haben Bakterien diesen Mechanismus perfektioniert. Nachdem sie herausgefunden hatten, warum ein CRISPR-System benötigt wurde, stellten sie fest, dass es als ein beispiellos genaues Werkzeug zur Bearbeitung von Genen gezähmt werden kann.
Um eine bestimmte Region im Genom durch eine andere zu ersetzen, muss Leit-RNA synthetisiert werden, die im Prinzip der crRNA ähnlich ist. Sie sagt Cas9, wo es notwendig ist, einen Doppelstrangbruch in der DNA des modifizierten Organismus zu machen. Wir müssen das Gen jedoch nicht verderben, sondern modifizieren - beispielsweise ein oder mehrere Nukleotide ersetzen und die schädliche Mutation entfernen. Hier kommt die Natur wieder zur Rettung. Natürliche Reparaturmechanismen beginnen sofort, die geschnittene Kette wiederherzustellen. Der Trick besteht darin, dass dazu einige RNA-Fragmente in der Nähe der Pause entfernt werden, wonach ähnliche Sequenzen dort eingefügt werden. Wissenschaftler können sie durch ihre eigenen DNA-Sequenzen ersetzen und so das Genom verändern.
Schematische Darstellung von CRISPR
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Bild: Kaidor / Wikipedia
Nichts ist jedoch perfekt. Trotz der relativen Genauigkeit machen CRISPR-Systeme manchmal Fehler. Einer der Gründe liegt in der Natur des Systems. Es ist für Bakterien nachteilig, dass crRNA zu 100 Prozent mit einem Fragment viraler DNA übereinstimmt, das sich durch ein oder zwei Nukleotide unterscheiden kann. Für sie ist es besser, dass einige Nukleotide unterschiedlich sein könnten, was dem Mikroorganismus eine bessere Chance gibt, die Infektion zu bekämpfen. Gleichzeitig droht in der Gentechnik eine geringe Spezifität mit Fehlern: Änderungen können am falschen Ort vorgenommen werden. Wenn dies im Verlauf von Experimenten an Mäusen geschieht, gibt es keine besondere Tragödie, aber die Bearbeitung des menschlichen Genoms könnte zu einer Katastrophe werden.
Dies erklärt die Besorgnis westlicher Wissenschaftler über die Experimente, die in China durchgeführt werden. Asiatische Forscher haben die CRISPR-Technologie verwendet, um menschliche Embryonen genetisch zu verändern. Solche Experimente wurden in Europa und den Vereinigten Staaten verboten, aber kürzlich hat Großbritannien sie zugelassen - ausschließlich zu Forschungszwecken. Solche Embryonen müssen in ein paar Wochen nach Erhalt zerstört werden, was die "Zucht" von gentechnisch veränderten Menschen ausschließt.
CRISPR / Cas9 wäre jedoch nicht so toll, wenn es nicht verbessert werden könnte. Daher lehrten Wissenschaftler Cas9, nicht zwei Ketten gleichzeitig zu schneiden, sondern nur eine. Der Schnitt erfolgt an zwei verschiedenen Stellen in der DNA-Sequenz auf verschiedenen Strängen, daher muss das System in der Lage sein, doppelt so viele Nukleotide wie normal zu erkennen, was die Genauigkeit erhöht.
Protein Cas und crRNA
Foto: Thomas Splettstoesser / Wikipedia
Wissenschaftler der University of Western Ontario haben einen anderen Weg gefunden, um diese Technologie zu verbessern. Sie versuchten, das Problem der Reparatur der geschnittenen DNA zu lösen. Die schnelle Wiederherstellung der Nukleinsäurekette führt dazu, dass Wissenschaftler keine Zeit haben, ihre eigenen Korrekturen am Genom vorzunehmen. So entsteht ein Teufelskreis: Die auf unerwünschte Weise reparierte Kette muss mit dem Cas9-Protein erneut geschnitten werden.
Um dies zu verhindern, modifizierten die Forscher die Proteinschere, um das TevCas9-Protein zu erzeugen. Es schneidet den DNA-Strang an zwei Stellen, was es schwierig macht, die Stelle zu reparieren. Um das neue Enzym zu synthetisieren, wurde das Enzym I-Tevl zu Cas 9 hinzugefügt, das auch eine Endonuklease ist, dh ein Protein, das ein DNA-Molekül in der Mitte spaltet, anstatt wie Exonukleasen die Enden der Sequenz abzuspalten. Es stellte sich heraus, dass das resultierende Fusionsprotein genauer an bestimmte Stellen bindet und weniger wahrscheinlich einen Fehler macht und die falsche Stelle schneidet.
Kristallstruktur von an DNA gebundenem Cas9
Foto: Cas9 Wiki Projekt / Wikipedia
Es gibt eine andere Möglichkeit, die Genauigkeit von CRISPR-Systemen zu verbessern. Das "Wettrüsten" zwischen Bakterien und Viren hat nicht nur zur Entwicklung von Abwehrsystemen in Mikroorganismen geführt, sondern auch zu Möglichkeiten, diese zu neutralisieren. Somit mutieren Bakteriophagen schnell und verlieren die Bereiche, an denen die bakterielle Immunität sie erkennt. Einige Codes für Anti-CRISPR-Proteine beeinträchtigen jedoch die Arbeit des crRNA-Cas9-Komplexes.
Am 8. Dezember veröffentlichte die Zeitschrift Cell einen Artikel von Wissenschaftlern der Universität von Toronto, die "Anti-CRISPR" entwickelten - ein System, mit dem Sie den Mechanismus unter bestimmten Bedingungen ausschalten können. Es verhindert unerwünschte Fehler, indem es die Cas9-Aktivität unterdrückt, falls die Leit-RNA an das falsche Fragment bindet. Anti-CRISPR besteht aus drei Proteinen, die die Nuklease hemmen und von den Genen eines der Bakterienviren kodiert werden.
Die CRISPR-Technologie wird bereits zur Behandlung schwerwiegender Krankheiten wie Leukämie und Lungenkrebs eingesetzt und auch getestet, um HIV aus Immunzellen zu entfernen. Da Wissenschaftler neue Wege finden, um diese Methode zu verbessern, eröffnen sich immer mehr Möglichkeiten für ihre Anwendung.
Alexander Enikeev
