Präzise Veränderung des Erbguts – mit Licht
21. November 2018
Forscher entwickeln Werkzeug, das die CRISPR/Cas9-Genschere optogenetisch kontrolliert
Foto: Dominik Niopek
Mit einem neuen molekularen Präzisionswerkzeug ist es möglich, das Genom in humanen Zellkulturen gezielter als bisher zu verändern. Zum Einsatz kommt dabei die als CRISPR/Cas9 bekannte Genschere, die hier mit Hilfe eines optogenetischen Verfahrens von außen gesteuert wird. Möglich ist dies durch Anti-CRISPR-Proteine, die gentechnisch so umgebaut wurden, dass sie sich von außen an- und abschalten lassen – und zwar durch Licht. Entwickelt wurde dieses Werkzeug mit dem Namen CASANOVA von Dr. Dominik Niopek von der Universität Heidelberg und Prof. Dr. Roland Eils vom Berliner Institut für Gesundheitsforschung, der zuvor an der Ruperto Carola und am Deutschen Krebsforschungszentrum tätig war.
CRISPR/Cas9 ist eine molekularbiologische Methode, um das Erbgut gezielt zu schneiden und anschließend zu verändern. Auf diese Weise können einzelne Buchstaben der DNA umgeschrieben oder „editiert“ werden. Ursprünglich stammt das CRISPR/Cas-System aus Bakterien. Aus dem zugrundeliegenden Mechanismus – das Herbeiführen eines DNA-Doppelstrangbruchs und die anschließende „natürliche“ Reparatur – entwickelten Wissenschaftler ein Verfahren der Gen-Editierung, das universell in allen lebenden Zellen funktioniert. Um diesen Prozess von außen gezielt zu starten oder zu stoppen, arbeiteten Dr. Niopek und Prof. Eils mit Anti-CRISPR-Proteinen. Dabei handelt es sich um kleine Eiweiße aus Bakterien-infizierenden Viren, die in der Lage sind, die CRISPR-Genschere zu binden. Im gebundenen Zustand ist diese Schere blind und nicht mehr in der Lage, ihre Zielsequenz im Erbgut zu erreichen.
Die Forscherinnen und Forscher integrierten einen molekularen Lichtsensor aus der Haferpflanze in ein Anti-CRISPR-Protein. Anschließend brachten sie das so erzeugte Hybrid – genannt CASANOVA – zusammen mit der Genschere in humane Zellkulturen ein. „Im Dunkeln bindet CASANOVA effizient an die Schere und schaltet diese dadurch ab. Durch blaues Licht löst sich die CRISPR-Genschere vom Anti-CRISP-Protein und wird dadurch aktiv“, erläutert Dr. Niopek. Mit ihrer neuen Methode konnten die Wissenschaftler durch Beleuchtung von außen präzise Genomänderungen in menschlichen Zellen herbeiführen und Gene auf Knopfdruck an- und wieder abschalten. Auch die Bindungsdynamik der CRISPR-Genschere an ihre Zielsequenz im Erbgut lebender Zellen ließ sich live unter dem Mikroskop verfolgen.
„CASANOVA ist nicht nur ein innovatives Werkzeug für die Grundlagenforschung, etwa um das Zusammenspiel zwischen der Aktivität von Genen und dem Verhalten von Zellen zu studieren“, erklärt Prof. Eils. „Die Methode könnte in Zukunft auch für besonders präzise Therapien genetischer Erkrankungen relevant werden.“
Roland Eils ist Direktor des Zentrums für digitale Gesundheit am Berliner Institut für Gesundheitsforschung und der Charité – Universitätsmedizin Berlin sowie Leiter der Health Data Science Unit am Universitätsklinikum Heidelberg. Dominik Niopek leitet die Forschungsgruppe Synthetische Biologie, die am Institut für Pharmazie und Molekulare Biotechnologie und am BioQuant-Zentrum der Universität Heidelberg angesiedelt ist. Die Forschungsergebnisse – an den Arbeiten waren auch Studierende der Ruperto Carola beteiligt – wurden im Fachjournal „Nature Methods“ veröffentlicht.
