CRISPR 'Kill' Switch könnte die menschliche Genbearbeitung sicherer machen

Eine Waffe, die Viren in ihrem endlosen Krieg mit Bakterien benutzen, könnte dazu benutzt werden, das leistungsstärkste Gen-Editierwerkzeug der Welt abzuschalten.

Dies könnte wiederum das Risiko verringern, dass das bakterielle Cut-and-Paste-System, CRISPR-Cas9 genannt, die falschen Gene schneidet und genetische Veränderungen in Menschen oder andere Arten in freier Wildbahn einführt.

In einer neuen Studie entdeckten Wissenschaftler, dass ein kleines Protein das System absperrt, und zumindest in einer Petrischale funktioniert das Protein in menschlichen Zellen, sagten die Forscher.

"Es ist im Grunde nur ein einzelnes Protein, das wir in der Zelle herstellen oder an die Zelle abgeben können, die Cas9 abschalten wird [und] es daran hindert, DNA zu binden und zu schneiden", sagte der Studienautor Joseph Bondy-Denomy, ein Mikrobiologe an der Universität von Kalifornien, San Francisco. [Video: Wie funktioniert die CRISPR-Cas 9-Genbearbeitung?]

Genetisch finden und ersetzen

Der CRISPR-Cas9-Komplex ist ein leistungsfähiges Werkzeug in der bakteriellen Immunabwehr gegen eindringende Viren. Wenn ein Virus in eine Bakterienzelle eindringt, mobilisieren die Bakterien eine DNA-Sequenz, die CRISPR genannt wird, oder "gruppierte regelmäßig kurze palindromische Zwischenräume". Die DNA besteht aus kurzen Blöcken von sich wiederholenden Basenpaaren, die durch Spacer-DNA getrennt sind. Die Bakterien kopieren und fügen die virale DNA-Sequenz in die CRISPR-Region ein und erzeugen zwei RNA-Stränge. Diese RNA verbindet sich dann mit einem Enzym namens Cas9, das als eine geführte Schere fungiert, die sich in die virale Ziel-DNA einklinkt und sie ausschneidet. Schließlich repariert die Zelle die DNA und ersetzt das gelöschte DNA-Schnipsel durch ein anderes Ersatzstück (von Wissenschaftlern bereitgestellt). Im Wesentlichen kann das CRISPR / Cas9-System als genetisches "Suchen und Ersetzen" verwendet werden.

Die Benutzerfreundlichkeit des CRISPR-Systems bedeutet, dass es für fast jede Genbearbeitungstechnik verwendet werden kann. Zum Beispiel könnten Ärzte eines Tages menschliche Immunzellen im Labor bearbeiten, um Krebszellen zu erkennen, und dann diese Zellen als gezielte Krebsbehandlung in eine Person injizieren, sagte Bondy-Denomy. Vor kurzem verwendeten Forscher in China CRISPR, um menschliche Embryos mit ernsten genetischen Defekten zu bearbeiten, obwohl sie den Embryos nicht erlaubten, zu reifen.

Off-Ziel-Effekte

Das Gen-Editing-System hat jedoch ein Problem: Es schneidet immer noch manchmal die falschen DNA-Sequenzen. Cas9 bleibt auch zu lange stehen; Es dauert etwa 24 Stunden, bis die Hälfte des Cas9 von einer Zelle abgebaut wird, was ihm viel Zeit gibt, um die DNA zu entfernen, sagte Bondy-Denomy zu Live Science.

Wenn also Cas9 einen "Aus" -Schalter hat, würde es die Möglichkeit der menschlichen Gentechnik sicherer machen, sagte Bondy-Denomy.

Er und seine Kollegen argumentierten, dass Viren CRISPR / Cas9 ausschalten müssen. Um zu replizieren, fügen Viren oft ihre eigene DNA in das Genom der Bakterien ein, wobei sie die genetische Maschinerie der Zelle mit vereinigen, um viele Kopien der viralen DNA herzustellen. Nach dieser Logik müssen Viren eine Möglichkeit haben, CRISPR / Cas9 zu deaktivieren, oder manchmal würde das Immunsystem des Bakteriums die virale Ziel-DNA in seinem eigenen Genom identifizieren, es schneiden und sich selbst zerstören, Bondy-Denomy und sein Kollegen sagten.

"Cas9 sollte eine RNA herstellen, die dann das Virus spaltet, das zufällig in seinem eigenen Genom ist - es ist nicht intelligent genug, um zu wissen, dass es in seinem eigenen Genom ist", sagte Bondy-Denomy zu Live Science stabil und es ist nicht selbstzerstörerisch, "dann macht dieses Virus vielleicht ein Inhibitorprotein."

Dann betrachtete das Team 300 Stämme von Listerien Bakterien, die lebensmittelbedingte Krankheiten verursachen, auf Anzeichen, dass virale DNA das bakterielle Genom infiltriert hat. Doch die Bakterien waren nicht selbstzerstörerisch. Von dort suchten sie nach inaktivierten Proteinen Listerien's Version von Cas9, die sehr ähnlich zu der in den meisten Labors auf der ganzen Welt verwendet wird, namens SpyCas9.

Das Team fand vier Anti-CRISPR-Proteine, von denen zwei gegen das häufig verwendete SpyCas9 arbeiteten, berichteten die Forscher heute (29. Dezember) in der Fachzeitschrift Cell. In einer Petrischale arbeiteten diese beiden Anti-CRISPR-Proteine ​​auch in menschlichen Zellen, um das CRISPR / Cas9-System zu deaktivieren.

Sicherere Technik

Das Team muss noch beweisen, dass die Verwendung der Anti-Cas9-Proteine ​​das Off-Target-Schneidepotenzial von Cas9 reduziert, und sie wissen nicht, wie lange das Protein in Zellen verweilt. Wenn sie jedoch das Protein in vivo zeigen können, könnte die neue Entdeckung das Gen-Editing sicherer machen, indem Cas9 schnell eliminiert wird.

"Sie verlassen sich nicht auf seine passive Degradierung; Sie stellen tatsächlich sicher, dass es ausgeschaltet wird", sagte Bondy-Denomy.

Die Technik könnte auch für andere Anwendungen verwendet werden. Zum Beispiel haben Menschen diskutiert, Cas9 zu verwenden, um ein mutiertes Gen in eine ganze Population von Moskitos einzuführen, um diese auszurotten oder die Ausbreitung bestimmter Krankheiten zu verhindern.

"Dies löst im Wesentlichen Bioterror auf einen Organismus aus", der gute, schlechte oder völlig unvorhersehbare Konsequenzen haben könnte, sagte Bondy-Denomy. Daher könnten diese Anti-CRISPR-Proteine ​​ein nützlicher Aus-Schalter oder Kontrollmechanismus sein, der verwendet werden kann, falls solche Arten-weite Technik in Grenzen gehalten werden sollte, sagte Bondy-Denomy.

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