CRISPR: Ett nytt verktyg för genmanipulation

Nyligen har forskare hittat ett spännande nytt verktyg för att konstruera DNA. Systemet CRISPR har inget att göra med att hålla dina grönsaker färska i kylskåpet. Det är akronym för det senaste systemet att manipulera genomiskt DNA i nästan vilket djur som helst. Forskare har kunnat knockout eller eliminera gener, undertrycka genuttryck och uppreglera gener för att öka uttrycket med CRISPR-tekniken.

Det är en mycket flexibel teknik som forskare kan använda för att enkelt ändra generens uttryck för att bättre förstå deras funktion.

Vad exakt är CRISPR?

CRISPR står för Clustered Regularly-Interspaced Short Palindromic Repeats - ett otroligt tråkigt namn för en spännande teknik. Varför det tråkiga namnet? Det beror på att när de först upptäcktes i slutet av 1980-talet i bakterier visste ingen vad de korta sträckorna av upprepat DNA separerat med slumpmässiga DNA-sekvenser var för. De var bara några konstiga egenskaper i det genomiska DNA hos vissa bakterier.

Det tog nästan 20 år tills Jennifer Doudna vid University of California visade sig att dessa sekvenser matchade delar av vissa virala DNA som smittade bakterierna. Som det visade sig var CRISPR-sekvenserna ett slags immunsystem för bakterierna.

Hur fungerar CRISPR?

Doudna och hennes samarbetspartner, Emmanuelle Chapentier, såg till slut ut att när bakterier som hade dessa korta repeterande DNA-bitar som matchade viruset DNA när de smittades av ett virus skulle använda dem för att göra RNA som binds till DNA från det invaderande viruset .

Därefter interagerades ett andra RNA-fragment som gjordes från slumpmässigt DNA som separerade CRISPR-repeterna med ett protein som heter Cas9. Detta protein skulle klyva virus-DNA och inaktivera viruset.

Forskare insåg snabbt att de kunde utnyttja denna förmåga hos CRISPR att skära ut specifika DNA-sekvenser för att knocka ut gener.

Även om det finns andra tekniker, såsom zinkfinger-nukleaser och TALENS som kan användas för att rikta och skära specifika platser i genom-DNA, beror dessa tillvägagångssätt på skrymmande proteiner för att rikta växlingarna mot specifika regioner i DNA. Det är svårt att utforma och genomföra modifieringar i stor skala med många gener genom att använda dessa tidigare metoder.

Vad gör CRISPR så användbart?

CRISPR-systemet litar bara på två korta bitar av RNA: ett som matchar den riktade DNA-regionen och en sekund som binder till ett protein som heter Cas9. I själva verket visar det sig emellertid att båda dessa korta RNA-bitar kan kombineras till en dual-funktion singelguide RNA-molekyl som båda riktar sig mot en specifik DNA-sekvens och rekryterar Cas9-klyvningsproteinet.Detta innebär att Cas9-proteinet och en kort bit av RNA som är 85 baser långa är allt som behövs för att skära ett DNA på nästan var som helst i genomet. Det är relativt enkelt att införa DNA för att producera en enkelriktad RNA och Cas9-proteinet nästan alla celler som gör CRISPR vanligtvis tillämplig.

Praktisk inriktning är dock inte den enda fördelen med CRISPR-tekniken över andra TALENS och zinkfingrar. CRISPR-systemet är också mycket effektivare än dessa alternativa tillvägagångssätt.

Till exempel fann en grupp vid Harvard att CRISPR raderade en riktade gen i 51% -79% av fallen, medan TALENS-effektiviteten var mindre än 34%. På grund av denna höga effektivitet kunde en annan grupp använda CRISPR-teknik för att direkt släcka gener i embryonala möss för att producera transgena möss i en enda generation. Standardmetoden kräver ett par generationer av avel för att få mutationen i båda kopiorna av en riktade gen.

Vad kan annat CRISPR göra?

Förutom att radera en gen har vissa grupper också insett att systemet med några få alternativ kan användas för andra typer av genetisk manipulation. I början av 2013 visade en grupp från MIT att CRISPR kan användas för att infoga nya gener i genomiskt DNA. Kort därefter använde en grupp vid UCSF en modifierad version av systemet som kallades CRISPRi för att undertrycka uttryck av målgener i bakterier.

På senare tid inrättade en grupp vid Duke University också en variant av systemet för att aktivera uppsättningar av gener. Flera grupper arbetar nu också med variationer av dessa tillvägagångssätt för att skanna ett stort antal gener på en gång för att ta reda på vilken som är inblandad i olika biologiska svar.

Den glänsande nya leksaken i genetisk teknik

Det finns visserligen stor spänning om det här nya verktyget för genteknik och rush att tillämpa den på en mängd olika applikationer. Det finns emellertid fortfarande några utmaningar som måste övervinnas och som det ofta är fallet med ny teknik tar det en stund att ta reda på var begränsningarna är. Forskare hos Harvard har till exempel funnit att CRISPR-inriktning kanske inte är lika exakt som ursprungligen tänkt. Off-target effekterna av CRISPR-komplexet kan leda till oavsiktliga förändringar vid förändring av DNA.

Trots utmaningarna har CRISPR tydligt visat enorma möjligheter att underlätta förändring av genomiskt DNA som hjälper forskare att förstå hur tusentals gener i det mänskliga genomet fungerar snabbare. Detta i sig har viktiga konsekvenser för förbättringar sjukdomsbehandling och diagnos. Vidare, med ytterligare utveckling, kan själva tekniken vara användbar för en ny typ av terapeutik. Det kan ge en ny metod för genterapi. Men dessa framsteg är ett sätt bort. För tillfället är det bara spännande att titta på den snabba utvecklingen av detta nya forskningsverktyg och tänka på vilka typer av experiment det tillåter.

(Publicerad: 30 september 2013)