CRISPR-Cas9 verwandelte ein bakterielles Immunsystem in programmierbare Genom-Editierung

Bakterien verteidigen sich gegen Viren mithilfe von CRISPR-Arrays: Kurze RNA-Stücke erinnern sich an frühere Eindringlinge und leiten eine Nuklease zu passender DNA, die die Zelle dann schneidet. Im Jahr 2012 zeigten Emmanuelle Charpentier und Jennifer Doudna, dass sich dieses System programmieren lässt: Indem man eine entworfene Guide-RNA bereitstellt, konnte Cas9 im Reagenzglas gezielt zum Schneiden ausgewählter DNA-Sequenzen gelenkt werden.

Der Durchbruch lag in der Handhabe. Während frühere Editierwerkzeuge (Zinkfinger, TALENs) für jedes Ziel die Konstruktion eines neuen DNA-bindenden Proteins erforderten – langsam und teuer –, benötigt CRISPR-Cas9 nur die Synthese einer neuen Guide-RNA aus 20 Nukleotiden. Die Umrichtung ging von Wochen der Protein-Engineering-Arbeit auf Tage der RNA-Synthese zurück.

Der Nature-Übersichtsartikel von 2014, verfasst von Doudna und Charpentier mit ihren Mitarbeitenden, legte dar, wie die Zwei-RNA-Struktur vereinfacht werden konnte und wie der Mechanismus für Genom-Engineering in lebenden Zellen nutzbar gemacht werden konnte. Die Kombination aus Einfachheit, Präzision und niedrigen Kosten machte sie innerhalb weniger Jahre zur dominierenden Methode der Genom-Editierung.

Die programmierbare Nuklease der Natur nutzbar machen

Das Design der Guide-RNA ersetzt das Protein-Engineering, sodass die Umrichtung billig und schnell ist.

Das System ist von Natur aus programmierbar – die Spezifität liegt in einer kurzen RNA-Sequenz, die jeder synthetisieren kann.

Eine einzige Nuklease funktioniert für nahezu jedes Ziel, sodass das Werkzeug allgemein statt maßgeschneidert ist.

Die zelleigene Reparaturmaschinerie übernimmt die Editierung, sodass keine zusätzliche Editierungsmaschine benötigt wird.

Der schwierigste Teil eines Werkzeugs ist in der Natur oft bereits gelöst – der kluge Schritt besteht darin, den biologischen Mechanismus zu finden und eine vom Menschen kontrollierbare Handhabe hinzuzufügen.

CRISPR-Cas9 wurde zum Standardwerkzeug der Genom-Editierung in Biologie, Medizin und Landwirtschaft, und Doudna und Charpentier erhielten 2020 den Nobelpreis für Chemie. Es folgte ein erbitterter Patentstreit zwischen der UC Berkeley und dem Broad Institute über die Verwendung von CRISPR in eukaryotischen Zellen, während klinische Studien zu Sichelzellenkrankheit und anderen genetischen Erkrankungen vom Versprechen zu zugelassenen Therapien übergingen.