Germany
November 27, 2014
Streptococcus pyogenes is one of the bacteria in which the HZI scientists have studied the CRISPR-Cas system.
Streptococcus pyogenes ist eines der Bakterien, dessen CRISPR-Cas-System die HZI-Forscher untersucht haben - © HZI / M. Rohde
Genome engineering with the RNA-guided CRISPR-Cas9 system in animals and plants is changing biology. It is easier to use and more efficient than other genetic engineering tools, thus it is already being applied in laboratories all over the world just a few years after its discovery. This rapid adoption and the history of the system are the core topics of a review published in the renowned journal Science. The review was written by the discoverers of the system Prof. Emmanuelle Charpentier, who works at the Helmholtz Centre for Infection Research (HZI) and is also affiliated to the Hannover Medical School and Umeå University, and Prof. Jennifer Doudna from the University of California, Berkeley, USA.
Many diseases result from a change of an individual’s DNA – the letter code that genes consist of. The defined order of the letters within a gene usually codes for a protein. Proteins are the workforce of our body and responsible for almost all processes needed to keep us running. When a gene is altered, its protein product may lose its normal function and disorders can result. “Making site-specific changes to the genome therefore is an interesting approach to preventing or treating those diseases”, says Prof Emmanuelle Charpentier, head of the HZI research department “Regulation in Infection Biology”. Due to this, ever since the discovery of the DNA structure, researchers have been looking for a way to alternate the genetic code.
First techniques like zinc finger nucleases and synthetic nucleases called TALENs were a starting point but turned out to be expensive and difficult to handle for a beginner. "The existing technologies are dependent on proteins as address labels and customizing new proteins for any new change to introduce in the DNA is a cumbersome process”, says Charpentier. In 2012, while working at Umeå University, she described what is now revolutionising genetic engineering: the CRISPR-Cas9 system.
It is based on the immune system of bacteria and archaea but is also of value in the laboratory. CRISPR is short for Clustered Regularly Interspaced Palindromic Repeats, whereas Cas simply stands for the CRISPR-associated protein. “Initially we identified a novel RNA, namely tracrRNA, associated to the CRISPR-Cas9 system, which we published in 2011 in Nature. We were excited when Krzysztof Chylinski from my laboratory subsequently confirmed a long term thinking: Cas9 is an enzyme that functions with two RNAs“, says Charpentier.
Together the system has the ability to detect specific sequences of letters within the genetic code and to cut DNA at a specific point. In this process the Cas9 protein functions as the scissors and an RNA snippet as the address label ensuring that the cut happens in the right place. In collaboration with Martin Jinek and Jennifer Doudna, the system could be simplified to use it as a universal technology. Now the user would just have to replace the sequence of this RNA to target virtually any sequence in the genome.
After describing the general abilities of CRISPR-Cas9 in 2012 it was shown in early 2013 that it works as efficiently in human cells as it does in bacteria. Ever since, there has been a real hype around the topic and researchers from all over the world have suggested new areas in which the new tool can be used. The possible applications extend from developing new therapies for genetic disorders caused by gene mutations to changing the pace and course of agricultural research in the future all the way to a possible new method for fighting the AIDS virus HIV.
“The CRISPR-Cas9 system has already breached boundaries and made genetic engineering much more versatile, efficient and easy”, Charpentier says. “There really does not seem to be a limit in the applications.”
Revolution in der Gentechnik - Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung Forscherin veröffentlicht Artikel über Geschichte und Zukunft des CRISPR-Cas9-Systems
Der Einsatz des RNA-gesteuerten CRISPR-Cas9-Systems in der Gentechnik verändert die Biologie. Es ist leichter zu nutzen und effizienter als bisherige Gentechnologie-Werkzeuge und wird so bereits wenige Jahre nach seiner Entdeckung in Laboratorien auf der ganzen Welt eingesetzt. Diese Entwicklung und die Geschichte des Systems sind die Hauptthemen eines Review-Artikels, der jetzt in der renommierten Fachzeitschrift Science erschienen ist. Geschrieben wurde er von den Entdeckerinnen des Systems, Prof. Emmanuelle Charpentier, die am Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI) in Braunschweig forscht und an der Medizinischen Hochschule Hannover und der Umeå University, Schweden, lehrt, und Prof. Jennifer Doudna von der University of California, Berkeley, USA.
Zahlreiche Krankheiten werden von Veränderungen in der DNA - dem Buchstaben-Code, aus dem Gene bestehen - verursacht. Die genaue Reihenfolge der Buchstaben innerhalb eines Gens bestimmt, welches Protein gebildet wird. Proteine sind für fast alle wesentlichen Prozesse im Körper verantwortlich und unverzichtbar. Wird ein Gen verändert, drohen die Proteine ihre ursprüngliche Funktion zu verlieren und es kann zu Erkrankungen kommen. „Zielgenaue Veränderungen am Genom vorzunehmen ist deshalb ein interessanter Ansatz, um solche Krankheiten zu therapieren oder zu verhindern“, sagt Emmanuelle Charpentier, Leiterin der Abteilung „Regulation in der Infektionsbiologie“ am HZI. Aus diesem Grund suchen Wissenschaftler bereits seit der Entdeckung der DNA-Struktur nach Wegen, den genetischen Buchstaben-Code zu verändern.
Mit ersten Technologien, wie der Zink-Finger-Nuklease und synthetischen Nukleasen, TALENs genannt, wurde ein Anfang gemacht. Allerdings stellte sich schnell heraus, dass sie teuer und für Anfänger schwer zu handhaben sind. „Die bestehenden Technologien nutzen Proteine als Wegweiser. Für jede Änderung in der DNA ein neues Protein herzustellen, ist ein mühsames Unterfangen“, sagt Charpentier. Im Jahr 2012 beschrieb sie, während ihrer Tätigkeit an der schwedischen Umeå University, erstmals das Werkzeug, dass derzeit die Gentechnik revolutioniert: das CRISPR-Cas9-System.
Es basiert auf dem Immunsystem von Bakterien und Archaea, hat aber auch für die Laborarbeit einen großen Wert. Während CRISPR für Clustered Regularly Interspaced Palindromic Repeats (zu Deutsch etwa „Regelmäßige Anordnung von kleinen, symmetrischen Wiederholungen“) steht, bezeichnet Cas9 das CRISPR-assoziierte Protein. „Im Jahr 2011 haben wir eine neue, dem CRISPR-Cas9-System zugehörige RNA, die tracrRNA, identifiziert und in Nature beschrieben. Wir waren begeistert, als Krzysztof Chylinski aus meinem Labor eine unserer Vermutungen bestätigen konnte, indem er zeigte, dass Cas9 mit zwei RNAs funktioniert“, sagt Charpentier.
Gemeinsam ist das System in der Lage, bestimmte Buchstaben-Abfolgen im genetischen Code aufzuspüren und DNA an einem exakten Punkt zu schneiden. Cas9 fungiert dabei als Schere und ein RNA-Schnipsel sozusagen als Wegweiser, der dafür sorgt, dass am richtigen Ort geschnitten wird. In Zusammenarbeit mit Martin Jinek und Jennifer Doudna gelang es den Wissenschaftlern, das System so zu vereinfachen, dass es universell eingesetzt werden kann. Um eine Sequenz innerhalb des Genoms anzupeilen, muss der Nutzer dank der neuen Technologie lediglich den RNA-Schnipsel entsprechend anpassen.
Nachdem die generelle Funktion des Systems 2012 beschrieben war, konnte Anfang 2013 gezeigt werden, dass es auch in menschlichen Zellen funktioniert. Seitdem ist es als Gentechnik-Werkzeug in aller Munde und Wissenschaftler aus aller Welt beschäftigen sich mit seinen Anwendungsmöglichkeiten. Diese reichen von Therapien gegen Erbkrankheiten über Verbesserungen in der Landwirtschaft bis hin zu neuen Ansätzen für den Kampf gegen den AIDS-Erreger HIV.
„Das CRISPR-Cas9-System hat Grenzen durchbrochen und Gentechnik einfacher und effizienter gemacht“, sagt Charpentier. „Die Bandbreite möglicher Anwendungen scheint derzeit unerschöpflich zu sein.“
Das Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung:
Am Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI) untersuchen Wissenschaftler die Mechanismen von Infektionen und ihrer Abwehr. Was Bakterien oder Viren zu Krankheitserregern macht: Das zu verstehen soll den Schlüssel zur Entwicklung neuer Medikamente und Impfstoffe liefern. http://www.helmholtz-hzi.de
Die Abteilung Regulation in der Infektionsbiologie von Emmanuelle Charpentier untersucht, wie die Expression von bakterieller RNA und bakteriellen Proteinen gesteuert wird. Diese beiden Faktoren haben entscheidenden Einfluss auf Beginn und Verlauf von Infektionen.
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