Inleiding tot CRISPR-genoombewerking

Wat is CRISPR en hoe wordt het gebruikt om DNA te bewerken?

CRISPR/Cas is een genbewerkingscomplex dat wordt gebruikt bij gentherapie en als diagnostisch hulpmiddel. PASIEKA / Getty Images

Stel je voor dat je een genetische ziekte kunt genezen, voorkomen dat bacteriën vanantibiotica weerstaan, verander muggen zodat ze kan geen malaria overbrengen , kanker te voorkomen of met succes dierenorganen in mensen te transplanteren zonder afstoting. De moleculaire machinerie om deze doelen te bereiken is niet het spul van een sciencefictionroman die zich in de verre toekomst afspeelt. Dit zijn haalbare doelen die mogelijk zijn gemaakt door een gezin van DNA sequenties CRISPR's genoemd.

Wat is CRISPR?

CRISPR (spreek uit als 'crisper') is het acroniem voor Clustered Regularly Interspaced Short Repeats, een groep DNA-sequenties die wordt aangetroffen in bacteriën die fungeren als een afweersysteem tegen virussen die een bacterie kunnen infecteren. CRISPR's zijn een genetische code die wordt opgebroken door 'spacers' van sequenties van virussen die een bacterie hebben aangevallen. Als de bacterie het virus weer tegenkomt, fungeert een CRISPR als een soort geheugenbank, waardoor de cel makkelijker te verdedigen is.

Ontdekking van CRISPR

CRISPR's zijn herhalende DNA-sequenties. Andrew Brookes / Getty Images

De ontdekking van geclusterde DNA-herhalingen vond onafhankelijk plaats in de jaren tachtig en negentig door onderzoekers in Japan, Nederland en Spanje. Het acroniem CRISPR werd in 2001 voorgesteld door Francisco Mojica en Ruud Jansen om de verwarring te verminderen die werd veroorzaakt door het gebruik van verschillende acroniemen door verschillende onderzoeksteams in de wetenschappelijke literatuur. Mojica veronderstelde dat CRISPR's een vorm van bacterieel waren verkregen immuniteit . In 2007 heeft een team onder leiding van Philippe Horvath dit experimenteel geverifieerd. Het duurde niet lang voordat wetenschappers een manier vonden om CRISPR's in het laboratorium te manipuleren en te gebruiken. In 2013 publiceerde het Zhang-lab als eerste een methode om CRISPR's te ontwerpen voor gebruik bij muis- en humane genoombewerking.

Hoe CRISPR werkt

Het CRISPR-CAS9-genbewerkingscomplex van Streptococcus pyogenes: het Cas9-nuclease-eiwit gebruikt een gids-RNA-sequentie (roze) om DNA op een complementaire plaats (groen) te knippen. MOLEKUUL/SCIENCE FOTOBIBLIOTHEEK / Getty Images

In wezen geeft de natuurlijk voorkomende CRISPR een cel zoek- en vernietigingsvermogen. In bacteriën werkt CRISPR door het transcriberen van spacer-sequenties die het doelvirus-DNA identificeren. Een van de enzymen die door de cel worden geproduceerd (bijv. Cas9) bindt zich vervolgens aan het doelwit-DNA en knipt het, waardoor het doelwitgen wordt uitgeschakeld en het virus wordt uitgeschakeld.

In het laboratorium knipt Cas9 of een ander enzym DNA, terwijl CRISPR het vertelt waar het moet knippen. In plaats van virale handtekeningen te gebruiken, passen onderzoekers CRISPR-spacers aan om interessante genen te zoeken. Wetenschappers hebben Cas9 en andere eiwitten, zoals Cpf1, aangepast, zodat ze een gen kunnen knippen of anders activeren. Door een gen aan en uit te zetten, wordt het voor wetenschappers gemakkelijker om de functie van een gen te bestuderen. Het knippen van een DNA-sequentie maakt het gemakkelijk om deze te vervangen door een andere sequentie.

Waarom CRISPR gebruiken?

CRISPR is niet de eerste tool voor het bewerken van genen in de gereedschapskist van de moleculair bioloog. Andere technieken voor het bewerken van genen zijn onder meer zinkvingernucleasen (ZFN), transcriptie-activator-achtige effector-nucleasen (TALEN's) en gemanipuleerde meganucleasen van mobiele genetische elementen. CRISPR is een veelzijdige techniek omdat het kosteneffectief is, een enorme selectie aan doelen mogelijk maakt en locaties kan targeten die niet toegankelijk zijn voor bepaalde andere technieken. Maar de belangrijkste reden waarom het zo belangrijk is, is dat het ongelooflijk eenvoudig te ontwerpen en te gebruiken is. Het enige dat nodig is, is een doelsite van 20 nucleotiden, die kan worden gemaakt door een gids te maken . Het mechanisme en de technieken zijn zo gemakkelijk te begrijpen en te gebruiken dat ze standaard worden in de bacheloropleidingen biologie.

Gebruik van CRISPR

CRISPR kan worden gebruikt om nieuwe geneesmiddelen voor gentherapie te ontwikkelen. DAVID MACK / Getty Images

Onderzoekers gebruiken CRISPR om cel- en diermodellen te maken om genen te identificeren die ziekte veroorzaken, gentherapieën te ontwikkelen en organismen te manipuleren om gewenste eigenschappen te hebben.

Lopende onderzoeksprojecten zijn onder meer:

• CRISPR toepassen op: hiv voorkomen en behandelen kanker, sikkelcelziekte, alzheimer, spierdystrofie , en de ziekte van Lyme. Theoretisch kan elke ziekte met een genetische component worden behandeld met gentherapie.
• Ontwikkeling van nieuwe medicijnen voor de behandeling van blindheid en hartaandoeningen. CRISPR/Cas9 is gebruikt om een ​​mutatie te verwijderen die retinitis pigmentosa veroorzaakt.
• Verlengen van de houdbaarheid van bederfelijke voedingsmiddelen, verhogen van de weerstand van gewassen tegen ziekten en plagen en verhogen van voedingswaarde en opbrengst. Een team van Rutgers University heeft de techniek bijvoorbeeld gebruikt om druiven resistent maken tegen valse meeldauw .
• Varkensorganen transplanteren (xenotransplantatie) in mensen zonder afwijzing
• Terugbrengen wolharige mammoeten en misschien dinosaurussen en andere uitgestorven soorten
• Muggen resistent maken naar de Plasmodium falciparum parasiet die malaria veroorzaakt

Het is duidelijk dat CRISPR en andere technieken voor genoombewerking controversieel zijn. In januari 2017 heeft de Amerikaanse FDA richtlijnen voorgesteld voor het gebruik van deze technologieën. Andere regeringen werken ook aan regelgeving om voordelen en risico's in evenwicht te brengen.

Geselecteerde referenties en verder lezen

• Barrangou R, Fremaux C, Deveau H, Richards M, Boyaval P, Parrot S, Romero DA, Horvath P (maart 2007). 'CRISPR zorgt voor verworven resistentie tegen virussen in prokaryoten'. Wetenschap . 315 (5819): 1709–12.
• Horvath P, Barrangou R (januari 2010). 'CRISPR/Cas, het immuunsysteem van bacteriën en archaea'. Wetenschap . 327 (5962): 167-70.
• Zhang F, Wen Y, Guo X (2014). 'CRISPR/Cas9 voor genome editing: vooruitgang, implicaties en uitdagingen'. Menselijke moleculaire genetica . 23 (R1): R40–6.