CRISPR av /National Human Genome Research Institute, NIH. Falt i det fri (Public domain)

CRISPR

Ved genredigering med CRISPR kuttes DNA-et av et Cas-protein. Det er et spesielt RNA-molekyl (kalt sgRNA) som bestemmer hvor kuttet lages ved å binde seg til en matchende sekvens i DNAet. Man kan derfor selv bestemme hvor DNAet skal kuttes. Cellen liker ikke kuttet DNA, så den iverksetter systemer for å reparere det. Ved å manipulere denne prosessen kan man ta vekk, bytte ut, eller legge til DNA i bruddsonen.
CRISPR
Av /Bioteknologirådet.
Lisens: Gjengitt med tillatelse

CRISPR betegner som oftest en genteknologisk metode der man gjør målrettede endringer i DNA i celler og organismer – såkalt genredigering.

Opprinnelig betegner CRISPR en type DNA-sekvenser som finnes i en rekke bakterier og andre mikroorganismer (prokaryoter) kalt Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats. Disse utgjør en del av mikroorganismenes immunforsvar. Disse molekylene fra mikroorganismenes immunforsvar benyttes som verktøy i den genteknologiske metoden.

CRISPR-metoden er enklere og billigere å bruke enn andre genteknologiske metoder. I tillegg gjør den det mulig å lage flere typer endringer enn med andre metoder, og flere endringer parallelt i samme celle. CRISPR-metoden skiller seg også fra mange andre metoder ved at den fungerer i alle typer organismer og celler.

En forutsetning for å redigere gener med CRISPR, er at man vet sekvensen på DNAet man vil endre. Det er også nødvendig å ha en god metode for å levere de aktive molekylene inn i cellene som skal endres. Hva som fungerer best avhenger av blant annet type celle som skal redigeres, og hvilket bruksområde det er snakk om.

CRISPR-metoden brukes allerede i forskning, medisin, matproduksjon, industriell bioteknologi, og naturbevaring.

CRISPR – mikroorganismenes immunforsvar

1. Når en bakterie blir angrepet av et virus, kan bakterien spare på biter av virusets arvestoff i sitt eget DNA. Samlingen med slike DNA-biter kalles CRISPR (kort for Clustered Regularly Interspaced Short Palendromic Repeats).2. Om bakterien på nytt blir angrepet av virus den har møtt før, kopieres virus-DNAet som oppbevares i CRISPR-sekvensene til små RNA-molekyler. Det produseres også et Cas-protein fra et nærliggende Cas-gen. 3. Ved hjelp av RNA-molekylet finner og kutter Cas-proteinet en spesifikk sekvens i arvestoffet til det angripende viruset. Slik kan bakterien avverge virusangrepet.

CRISPR-Cas9
Av .
Lisens: Gjengitt med tillatelse

Når en bakterie blir angrepet av virus, kan bakterien spare på biter av virusenes arvestoff i sitt eget DNA og på den måten holde et slags arkiv over inntrengere. Det er denne samlingen som kalles CRISPR. Dersom bakterien på nytt blir angrepet av tilsvarende virus, kopieres det lagrede virus-DNAet til et RNA-molekyl. Dette RNA-molekylet kan binde seg til en matchende sekvens i DNAet fra det angripende viruset. Med seg har det også et såkalt Cas-protein (CRISPR associated protein).

Cas-proteiner finnes i mange varianter, men alle er enzymer som kutter enten DNA eller RNA (ulike former for virus-arvestoff). Systemet består dermed av en «gensaks» (Cas-proteinet) som ved hjelp av en «GPS» (RNA-molekylet) finner og kutter en spesifikk sekvens i arvestoffet fra det angripende viruset. Slik kan bakterien avverge virusangrepet. Det er estimert at om lag halvparten av alle bakteriearter har et CRISPR-system.

Genredigering med CRISPR-metoden

Gjennom studier på CRISPR-systemet i bakterier oppdaget forskere at det med noen små justeringer kunne brukes som en «programmerbar gensaks» som målrettet kan kutte og endre enhver DNA- eller RNA-sekvens, i alle celletyper og organismer.

Metoden bygger på samme prinsipp som når bakterier forvarer seg mot virus; et protein som kan kutte DNA (Cas-proteinet) styres til målsekvensen i DNAet ved hjelp av et RNA-molekyl kalt sgRNA (single-guide RNA). SgRNA er en kunstig, lett modifisert versjon av RNA-molekylet fra bakterier, der sekvensen lages på bestilling. Når komplekset (Cas og sgRNA) har bundet seg til målsekvensen, lager Cas-proteinet et kutt i DNAet.

Slike brudd (dobbelttrådbrudd) oppstår relativt hyppig i celler, for eksempel som følge av skader fra UV-stråling eller skadelige stoffer, eller når det skjer feil i kopieringen av DNAet under celledelingen. For å unngå at slike brudd får katastrofale konsekvenser, har cellene utviklet effektive reparasjonssystemer. Ved hjelp av disse reparasjonssystemene kan man inaktivere eller endre genene RNA’et er rettet mot.

Inaktivering av gener

Når det oppstår et brudd i DNAet, vil cellene som oftest iverksette et system som «limer» sammen endestykkene i bruddsonen (ikke-homolog endebinding). Dette er imidlertid en ganske upresis prosess, og resulterer ofte i at biter av DNA fjernes eller legges til på tilfeldig vis. Dette kan føre til at genet inaktiveres. Slik kan man dermed målrettet slå ut genfunksjoner.

Endring av gener

Ved å utnytte et annet reparasjonssystem (homolog rekombinasjon) er det også mulig å legge til eller bytte ut DNA. Cellene kan nemlig bruke biter av DNA med endestykker som matcher endestykkene i bruddsonen som mal for reparasjon. Man kan legge et nytt gen, deler av et gen, eller andre DNA-elementer inntil sekvenser som matcher området det skal limes inn i. Denne reparasjonsveien gir en presis endring i DNA.

Ulike Cas-proteiner

Det finnes flere varianter av CRISPR-metoden, avhengig av hvilket Cas-protein som benyttes og hvilke kjemiske modifikasjoner det har. Cas9 fra bakterien Streptococcus pyogenes er foreløpig det mest kjente og anvendte Cas-proteinet, og det første som ble brukt i genredigering. I tillegg finnes Cas-proteiner som har andre måter å gjenkjenne målsekvensen på, eller som kutter RNA i stedet for DNA. Det har også blitt laget varianter av Cas-proteiner som ikke kutter arvestoffet i det hele tatt, men som kan øke eller redusere genenes aktivitet (genuttrykk) gjennom såkalte epigenetiske endringer.

Bruksområder

CRISPR-metoden har på kort tid fått stor betydning innen en rekke ulike områder, som forskning, medisin, matproduksjon, industriell bioteknologi og naturbevaring.

Forskning

Gjennom målrettede endringer i DNA og RNA kan forskere bruke CRISPR-metoden til å kartlegge genenes funksjoner og arvestoffets struktur. For eksempel kan man ved å ødelegge eller endre gener lære mye om hvordan de normalt fungerer. Blant annet har forskere ved hjelp av CRISPR identifisert gener som er viktige for farge, mønster og struktur i sommerfuglenes vinger. Andre forskere har brukt CRISPR til å gjenskape sykdomsgivende mutasjoner i cellekultur eller forsøksdyr. Slike forskningsmodeller kan for eksempel brukes til å studere sykdomsutvikling eller å teste medisiner.

Medisin

CRISPR-metoden kan også gjøre det enklere å stille sykdomsdiagnoser. For eksempel utvikles en test som enkelt og umiddelbart kan påvise RNA fra virus i en blod- eller spyttprøve. CRISPR kan også brukes som genterapi for behandling av sykdommer. Eksempler er genredigerte immunceller som gjenkjenner og dreper kreftceller, eller reparasjon av genfeil som gir sykdom.

Matproduksjon

Avl- og foredling av planter og dyr til matproduksjon har tradisjonelt basert seg på å krysse individer med ønskede genetiske egenskaper. De samme egenskapene kan nå lages med CRISPR-metoden. I tillegg kan man lage egenskaper som ikke eksisterer i en populasjon eller art. Eksempler på produkter under utvikling er dyr som er mer motstandsdyktige mot sykdom og kornvekster som produserer flere korn per plante.

Industriell bioteknologi

Genredigerte mikroorganismer kan være svært nyttige som produksjonssystemer, for eksempel for biodrivstoff eller syntetiske materialer. Blant annet har det blitt laget genredigerte alger som produserer fettstoffer til biodiesel mer effektivt.

Naturbevaring

Enkelte forskere ønsker å bruke CRISPR til å gjøre utrydningstruede arter mer robuste, eller å beskytte dem ved å redusere miljøskade. Eksempler er genredigerte koraller som bedre tåler varmere temperaturer, eller genredigerte rotter, mus og mygg som ikke kan spre parasitter.

Etiske spørsmål

Fordi CRISPR-metoden har så stort potensial, medfører den også en rekke etiske og samfunnsmessige utfordringer.

Teknologiens enkelhet og tilgjengelighet har forsterket mange av bekymringene knyttet til genmodifisert mat, særlig om risiko for helse og miljø, dersom genredigering av planter og dyr blir utbredt. Andre mener genredigering kan bidra til en mer bærekraftig matproduksjon, og at kostnaden ved å si nei derfor kan være stor.

Når det gjelder genredigering av mennesker er mange bekymret for at teknologien skal brukes til å forbedre egenskaper som ikke har noe med sykdom å gjøre, som intelligens eller fysisk prestasjonsevne. Et annet spørsmål er om det er etisk forsvarlig å fjerne genfeil før man blir født for å forebygge alvorlig sykdom. Slike endringer vil ikke bare påvirke enkeltindividet, men vil gå i arv til alle etterkommerne, og derfor påvirke vår egen evolusjon. Noen mener vi er etisk forpliktet til å forhindre slike sykdommer hvis vi kan, mens andre frykter at det vil bringe oss betydelig nærmere et sorteringssamfunn der det ikke er plass til alle.

Historikk

De karakteristiske DNA-sekvensene som senere ble døpt CRISPR ble første gang beskrevet i 1987 da japanske forskere oppdaget dem ved en tilfeldighet under studier av bakterien E.coli . Tidlig på 90-tallet ble CRISPR-sekvenser identifisert også i andre bakterier, men funksjonen var fortsatt ikke kjent.

Tidlig på 2000-tallet ble det publisert en rekke studier som viste at CRISPR-sekvensene alltid var omgitt av en gruppe gener som kodet for Cas-proteiner. Like etterpå ble det kjent at deler av CRISPR-sekvensene bestod av virus-DNA og annet genetisk materiale som ikke stammet fra bakteriene selv. Slik skjønte forskerne at CRISPR-sekvensene kunne ha en rolle i bakterienes immunforsvar. Hypotesen ble bekreftet i 2007. En serie med studier de neste årene kartla detaljene i hvordan CRISPR/Cas-systemet kutter og ødelegger DNA og RNA fra angripende virus.

De to forskerne Jennifer Doudna fra Universitetet i California og Emmanuelle Charpentier, den gang ved Universitetet i Umeå, var de første som viste at CRISPR kunne brukes til å lage målrettede endringer i DNA, såkalt genredigering. Funnene, basert på eksperimenter i bakterier, ble publisert i 2012. Virginijus Šikšnys ved Universitetet i Vilnius hadde kommet frem til lignende resultater omtrent samtidig. De tre forskerne har mottatt mange utmerkelser for sitt banebrytende arbeid, blant annet Kavliprisen i nanovitenskap fra Det Norske Videnskapsakademi i 2018.

I 2013, kun noen måneder etter funnene til Doudna og Charpentier var publisert, viste Feng Zhang fra Massachusetts Institute of Technology og George Church ved Harvard Universitetet i hver sin publikasjon at genredigering med CRISPR-metoden også er mulig i celler fra høyerestående organismer som mus og mennesker. Også disse to forskerne har mottatt mange utmerkelser for sine funn.

Senere har det blitt utført tusenvis av studier over hele verden som viser at CRISPR kan brukes til genredigering i organismer fra alle grener av livets tre. Det har i tillegg blitt gjort en rekke metodeforbedringer for å øke effektivitet og presisjon.

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg