Forscher entdecken Mechanismus, der die Genbearbeitung von CRISPR-Cas9 stört.

Die Entdeckung von CRISPR-Cas9 hat die Genbearbeitung sehr einfach gemacht. Leider hat sich in letzter Zeit herausgestellt, dass das molekulare Werkzeug weniger präzise ist als bisher angenommen. Es kann zu unerwünschten Mutationen in der DNA einer Zelle führen. Forscher der Technischen Universität Delft haben nun einen Mechanismus identifiziert, der solche Mutationen verursacht, wenn CRISPR-Cas9 falsch verwendet wird. Dies kann dazu führen, dass ruhende Gene exprimiert werden, was potenziell sehr gefährlich ist. Auf der Grundlage ihrer Ergebnisse haben die Forscher eine Checkliste erstellt. Die Verwendung dieser Checkliste verhindert die Aktivierung des schädlichen Mechanismus und macht die Genbearbeitung mit CRISPR-Cas9 sicherer.

Wie bei vielen Organismen enthalten menschliche Zellen zwei Kopien von jedem Chromosom: eine von jedem Elternteil. Diese Chromosomenkopien sind fast identisch, enthalten aber kleine Unterschiede in einer Reihe von Genen. Die kleinen Variationen führen zu den genetischen Unterschieden zwischen den Individuen. Ein Backup für jedes Chromosom zu haben, mag nach einer guten Sache klingen. Forscher der Technischen Universität Delft haben jedoch festgestellt, dass es in Kombination mit dem Genbearbeitungsprogramm CRISPR-Cas9 zu Problemen kommen kann. „Wenn CRISPR-Cas9 verwendet wird, um ein einzelnes Chromosom in heterozygoten Organismen wie dem Menschen zu zielen, wird ein natürlicher Reparaturmechanismus aktiviert“, sagt der Forscher Dr. Jean-Marc Daran. „Es stellt sich heraus, dass dieser Mechanismus die andere Kopie des Chromosoms als Vorlage für die Reparatur seiner DNA verwendet.“

Genombearbeitung

Normalerweise können Genbearbeitungsexperten mit CRISPR-Cas9 einen Teil des Genoms einer Zelle verändern, indem sie eine neue Sequenz von DNA einführen. Das Cas-Protein schneidet die DNA an einer bestimmten Stelle auf, woraufhin erwartet wird, dass die Zelle ihre DNA mit dieser neuen Kette von genetischem Material repariert. So können neue Gene eingeführt werden. „Natürlich, wenn der Reparaturmechanismus das andere Chromosom als Vorlage anstelle des neu eingeführten DNA-Strangs verwendet, wird die Bearbeitung nicht erfolgreich sein“, sagt Daran. Da die Reparatur mit dem anderen Chromosom wesentlich effizienter ist, kommt es fast nie zu einer Reparatur mit dem vorgesehenen DNA-Fragment. Schlimmer noch, es kann zu einem Verlust der Heterozygotie kommen, was schwerwiegende gesundheitliche Folgen haben kann. Erkrankte Gene, die inaktiv waren, können exprimiert werden, zum Beispiel Gene, die Krebs verursachen können.

Zufällige Entdeckung

Diese Entdeckung des Reparaturmechanismus, der die Genbearbeitung blockiert, war zufällig, wie es in der Wissenschaft oft der Fall ist. Arthur Gorter de Vries, Doktorand an der Technischen Universität Delft, arbeitete an der Erforschung der Bierhefe. Er versuchte herauszufinden, wie die Domestikation von Bierhefe letztlich zu den modernen Hefestämmen führte, die die Bierproduzenten heute verwenden. „Ich habe versucht, ein bestimmtes Gen zu entfernen, um seine Funktion zu bestimmen“, sagte Gorter de Vries. „Seltsamerweise konnte ich nicht bestätigen, dass ich das Gen erfolgreich entfernt habe. Ich bemerkte auch, dass sich die Zellen unberechenbar verhielten.“ Gorter de Vries zielte nur auf eines der Chromosomen in seiner Hefe. Weitere Experimente zeigten, dass die Hefezellen die andere Kopie des Zielchromosoms als Vorlage für die Reparatur der DNA verwendeten, die er zu entfernen versucht hatte.

Schädliche Mutationen

Während dieser neu entdeckte Mechanismus verhindern kann, dass die Genbearbeitung erfolgreich ist und sogar zu schädlichen Mutationen führen kann, geschieht dies nur bei heterozygoten Organismen. „Noch wichtiger ist, dass der Reparaturmechanismus nur dann aktiv wird, wenn nur ein einziges Chromosom zur Bearbeitung vorgesehen ist und nicht beides“, sagt Daran. Es gibt noch einige andere Faktoren, die berücksichtigt werden müssen, weshalb die Forscher Richtlinien zur sicheren Bearbeitung von DNA in heterozygoten Organismen entwickelt haben. Die Ergebnisse ihrer Forschung, einschließlich der Leitlinien, wurden in der Nucleic Acids Research veröffentlicht.

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