Die CRISPR/Cas-Methode ist eine revolutionäre molekularbiologische Technik, bekannt als "Genschere", die zum gezielten Schneiden und Modifizieren von DNA eingesetzt wird. Ursprünglich wurde sie aus dem adaptiven Immunsystem von E. coli abgeleitet, das auf CRISPR-Sequenzen (clustered regularly interspaced short palindromic repeats) basiert.

Historischer Hintergrund

• Entdeckung: Im Jahr 1987 entdeckten Wissenschaftler das CRISPR-System bei E. coli, das DNA von Bakteriophagen in seine eigene DNA integriert, um eine Abwehr gegen diese Viren zu ermöglichen.
• Funktionsweise: Die integrierte DNA wird in crRNA umgeschrieben, die zusammen mit tracrRNA und dem Cas9-Enzym einen Komplex bildet. Dieser Komplex schneidet die DNA der angreifenden Bakteriophagen und verhindert deren Vermehrung.

Anwendungsbereiche

• Forschung und Entwicklung: Das CRISPR/Cas9-System wird seit über einem Jahrzehnt vorrangig in der genetischen Forschung eingesetzt, um gezielt Gene zu modifizieren.
• Land- und Nahrungswirtschaft: Seit mehr als fünf Jahren wird die Technik zur Erhöhung der Trockentoleranz und Verbesserung der Immunantwort gegenüber viralen Erregern genutzt.
• Humanmedizin: Seit 2020 wird die Methode zur Behandlung genetischer Erkrankungen wie dem Noonan-Syndrom und der Beta-Thalassämie eingesetzt.

Klinische Anwendungen und Fortschritte

• Noonan-Syndrom: Genkorrektur bei Kindern mit angeborenem Herzfehler durch Modifikation induzierter pluripotenter Kardiomyozyten basierend auf dem LZTR1-Gen [2].
• Beta-Thalassämie: Erstmals Ende 2019 wurde eine erfolgreiche CRISPR/Cas9-Gentherapie bei einer Patientin durchgeführt [3].

Das Verfahren

• Genome Editing: Änderung der Spacer-Sequenz in der crRNA ermöglicht das präzise Schneiden doppelsträngiger DNA, was zu gezielten Deletionen oder Insertionen führt.
• Prime-Editing: Eine fortschrittliche Form des Genome Editing, die das Einfügen spezifischer DNA-Fragmente nach einer Deletion ermöglicht, wobei eine pegRNA und eine Reverse Transkriptase verwendet werden.

Mögliche Komplikationen

• Off-Target-Effekte: Nicht intendierte Bindungen der guideRNA können zu genetischen Veränderungen wie Mutationen, Insertionen oder Deletionen führen.
• Enzymgenauigkeit: Trotz Verbesserungen kann das Cas9-Protein gelegentlich Fehler machen, was durch die Verknüpfung mit der Endonuklease FokI verbessert wurde, die eine Spezifität von bis zu 1:10.000 erreicht [1].

Literatur

1. Kleinstiver BP et al.: High-fidelity CRISPR-Cas9 nucleases with no detectable genome-wide off-target effects. In: Nature. Band 529, Nummer 7587, Januar 2016 Jan 28;529(7587):490-5. doi: 10.1038/nature16526. Epub 2016 Jan 6.
2. Kleinsorge M et al.: Intronic CRISPR Repair in a Preclinical Model of Noonan Syndrome-Associated Cardiomyopathy. 2020 Jul 6. doi: 10.1161/CIRCULATIONAHA.119.044794.
3. Frangoul H et al.: CRISPR-Cas9 Gene Editing for Sickle Cell Disease and β-Thalassemia. New Engl. J Med. December 5, 2020 doi: 10.1056/NEJMoa2031054