Introduksjon til CRISPR Genome Editing

Hva CRISPR er og hvordan det brukes til å redigere DNA

CRISPR/Cas er et genredigeringskompleks som brukes i genterapi og som et diagnostisk verktøy. PASIEKA / Getty Images

Tenk deg å kunne kurere enhver genetisk sykdom, forebygge bakterie framotstand mot antibiotika, endre mygg slik at de kan ikke overføre malaria , forhindre kreft, eller vellykket transplantere dyrs organer til mennesker uten avvisning. Det molekylære maskineriet for å nå disse målene er ikke stoffet i en science fiction-roman som foregår i en fjern fremtid. Dette er oppnåelige mål gjort mulig av en familie av DNA-sekvenser kalt CRISPRs.

Hva er CRISPR?

CRISPR (uttales 'crisper') er akronymet for Clustered Regularly Interspaced Short Repeats, en gruppe DNA-sekvenser som finnes i bakterier som fungerer som et forsvarssystem mot virus som kan infisere en bakterie. CRISPR-er er en genetisk kode som brytes opp av 'spacers' av sekvenser fra virus som har angrepet en bakterie. Hvis bakteriene møter viruset igjen, fungerer en CRISPR som en slags minnebank, som gjør det lettere å forsvare cellen.

Oppdagelsen av CRISPR

CRISPR-er er repeterende DNA-sekvenser. Andrew Brookes / Getty Images

Oppdagelsen av klyngede DNA-repetisjoner skjedde uavhengig på 1980- og 1990-tallet av forskere i Japan, Nederland og Spania. Akronymet CRISPR ble foreslått av Francisco Mojica og Ruud Jansen i 2001 for å redusere forvirringen forårsaket av bruken av forskjellige akronymer av forskjellige forskerteam i vitenskapelig litteratur. Mojica antok at CRISPR-er var en form for bakteriell ervervet immunitet . I 2007 bekreftet et team ledet av Philippe Horvath dette eksperimentelt. Det tok ikke lang tid før forskerne fant en måte å manipulere og bruke CRISPR-er på i laboratoriet. I 2013 ble Zhang-laboratoriet det første som publiserte en metode for å konstruere CRISPR-er for bruk i redigering av mus og humant genom.

Hvordan CRISPR fungerer

CRISPR-CAS9-genredigeringskomplekset fra Streptococcus pyogenes: Cas9-nukleaseproteinet bruker en guide-RNA-sekvens (rosa) for å kutte DNA på et komplementært sted (grønt). MOLEKUUL/SCIENCE PHOTO LIBRARY / Getty Images

I hovedsak gir naturlig forekommende CRISPR en cellesøk-og-ødeleggende evne. I bakterier fungerer CRISPR ved å transkribere spacer-sekvenser som identifiserer målvirusets DNA. Et av enzymene som produseres av cellen (f.eks. Cas9) binder seg deretter til mål-DNA og kutter det, slår av målgenet og deaktiverer viruset.

I laboratoriet kutter Cas9 eller et annet enzym DNA, mens CRISPR forteller den hvor den skal klippe. I stedet for å bruke virale signaturer, tilpasser forskere CRISPR-avstandsstykker for å søke gener av interesse. Forskere har modifisert Cas9 og andre proteiner, for eksempel Cpf1, slik at de enten kan kutte eller aktivere et gen. Å slå et gen av og på gjør det lettere for forskere å studere funksjonen til et gen. Å kutte en DNA-sekvens gjør det enkelt å erstatte den med en annen sekvens.

Hvorfor bruke CRISPR?

CRISPR er ikke det første genredigeringsverktøyet i molekylærbiologens verktøykasse. Andre teknikker for genredigering inkluderer sinkfingernukleaser (ZFN), transkripsjonsaktivatorlignende effektornukleaser (TALENs) og konstruerte meganukleaser fra mobile genetiske elementer. CRISPR er en allsidig teknikk fordi den er kostnadseffektiv, gir mulighet for et stort utvalg av mål og kan målrette mot steder som er utilgjengelige for visse andre teknikker. Men hovedgrunnen til at det er en stor sak er at det er utrolig enkelt å designe og bruke. Alt som trengs er et målsted på 20 nukleotider, som kan lages ved å lage en guide . Mekanismen og teknikkene er så enkle å forstå og bruke at de er i ferd med å bli standard i læreplaner for biologi på lavere nivå.

Bruk av CRISPR

CRISPR kan brukes til å utvikle nye legemidler som brukes til genterapi. DAVID MACK / Getty Images

Forskere bruker CRISPR til å lage celle- og dyremodeller for å identifisere gener som forårsaker sykdom, utvikle genterapier og konstruere organismer til å ha ønskelige egenskaper.

Pågående forskningsprosjekter inkluderer:

• Bruker CRISPR til forebygge og behandle HIV , kreft, sigdcellesykdom, Alzheimers, muskeldystrofi og Lyme sykdom. Teoretisk kan enhver sykdom med en genetisk komponent behandles med genterapi.
• Utvikler nye medisiner for å behandle blindhet og hjertesykdom. CRISPR/Cas9 har blitt brukt til å fjerne en mutasjon som forårsaker retinitis pigmentosa.
• Forlenge holdbarheten til bedervelige matvarer, øke motstanden til avlinger mot skadedyr og sykdommer, og øke næringsverdien og utbyttet. For eksempel har et team fra Rutgers University brukt teknikken til å gjør druer motstandsdyktige mot dunmugg .
• Transplantering av griseorganer (xenotransplanasjon) til mennesker uten avvisning
• Å bringe tilbake ullene mammuter og kanskje dinosaurer og andre utdødde arter
• Gjør mygg motstandsdyktig til Plasmodium falciparum parasitt som forårsaker malaria

Åpenbart er CRISPR og andre genomredigeringsteknikker kontroversielle. I januar 2017 foreslo det amerikanske FDA retningslinjer for bruk av disse teknologiene. Andre myndigheter jobber også med reguleringer for å balansere fordeler og risikoer.

Utvalgte referanser og videre lesning

• Barrangou R, Fremaux C, Deveau H, Richards M, Boyaval P, Parrot S, Romero DA, Horvath P (mars 2007). 'CRISPR gir ervervet resistens mot virus i prokaryoter'. Vitenskap . 315 (5819): 1709–12.
• Horvath P, Barrangou R (januar 2010). 'CRISPR/Cas, immunsystemet til bakterier og arkea'. Vitenskap . 327 (5962): 167–70.
• Zhang F, Wen Y, Guo X (2014). 'CRISPR/Cas9 for genomredigering: fremgang, implikasjoner og utfordringer'. Menneskelig molekylær genetikk . 23 (R1): R40–6.