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CRISPR-Cas9 als programmierbares Werkzeug zur Genom-Editierung

2012
  • Jennifer Doudna
  • Emmanuelle Charpentier
Biotechnology laboratory with CRISPR-Cas9 gene editing tools and modified cells.

Das natürliche CRISPR-Cas9-System wurde für eine revolutionäre Technologie zur Genomeditierung weiterentwickelt. Durch die Fusion der beiden essentiellen RNA-Komponenten (crRNA und tracrRNA) zu einer synthetischen Single-Guide-RNA (sgRNA) schufen Wissenschaftler ein einfaches Zweikomponentensystem. Diese sgRNA dirigiert die Cas9-Nuklease an jede gewünschte Stelle in der DNA, um einen präzisen Doppelstrangbruch zu erzeugen. Dieser kann dann von der Zelle repariert werden, um gezielte Mutationen einzuführen oder neues genetisches Material einzufügen.

The transformation of the CRISPR-Cas9 bacterial immune system into a universal tool for genome editing was a landmark achievement in molecular biology. The key insight was recognizing its potential for being reprogrammed. In its natural form, the Type II system uses three components: the Cas9 protein, a crRNA that contains the targeting sequence, and a tracrRNA that is crucial for crRNA maturation and Cas9 activation. The Doudna and Charpentier labs demonstrated that this system could be simplified. They engineered a single chimeric RNA, which they termed a single-guide RNA (sgRNA), by linking the 3′ end of the crRNA to the 5′ end of the tracrRNA with a synthetic hairpin loop. This sgRNA retained all the necessary functions of the dual-RNA system.

This simplification was revolutionary because it meant that to retarget the Cas9 nuclease to a new DNA site, one only needed to synthesize a new sgRNA with a different 20-nucleotide guide sequence. This made the technology remarkably easy to use, cheap, and scalable compared to previous editing methods like Zinc Finger Nucleases (ZFNs) and TALENs, which required complex and costly protein engineering for each new target. When the Cas9-sgRNA complex is introduced into a cell, it locates its target DNA sequence and creates a double-strand break (DSB). The cell’s natural DNA repair machinery then takes over. The error-prone Non-Homologous End Joining (NHEJ) pathway often introduces small insertions or deletions (indels), effectively knocking out the gene. Alternatively, if a donor DNA template is supplied, the more precise Homology-Directed Repair (HDR) pathway can be used to insert new sequences or correct mutations.

UNESCO Nomenclature: 3101
– Biotechnology

Typ

Biotechnology

Unterbrechung

Revolutionär

Verwendung

Weit verbreitete Verwendung

Vorläufersubstanzen

  • Entdeckung des natürlichen Crispr-Cas9-Mechanismus in Bakterien
  • Identifizierung und funktionelle Charakterisierung der TracrRNA
  • Verständnis der zellulären DNA-Reparaturmechanismen (NHEJ und HDR)
  • frühere Gen-Editing-Technologien wie ZFNS und Talens, die das Prinzip gezielter Doppelstrangbrüche etablierten
  • Fortschritte in der RNA-Synthese und in gentechnischen Verfahren

Anwendungen

  • Gentherapie für genetische Erkrankungen wie Sichelzellenanämie und Beta-Thalassämie
  • Entwicklung krankheitsresistenter Nutzpflanzen und Nutztiere
  • Schaffung von Tiermodellen für menschliche Krankheiten
  • Funktionelle Genomforschung zur Untersuchung der Genfunktion (Gen-Knockouts)
  • Entwicklung von Schnelldiagnostika für Infektionskrankheiten
  • Krebsimmuntherapie (z. B. CAR-T-Zelltherapie)

Patente:

  • US8697359B1
  • US10000772B2
  • EP2771468B1

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