Wat is “CRISPR” “clusters of regularly interspaced short palindromic repeats.”?

Share it with your friends Like

Thanks! Share it with your friends!

Close

Wat is “CRISPR” “clusters of regularly interspaced short palindromic repeats.”?

CRISPRs: “CRISPR” staat voor “clusters of regularly interspaced short palindromic repeats.”

“clusters van regelmatig op afstand liggende korte palindrome herhalingen.”

In de media heb je vast wel eens gehoord over CRISPR. Een revolutionaire techniek waarmee we allerlei ziekten kunnen genezen. Maar wat is CRISPR nu eigenlijk? In deze video leg ik het je uit!

Het is een gespecialiseerde regio van DNA met twee verschillende kenmerken: de aanwezigheid van nucleotideherhalingen en spacers. Herhaalde sequenties van nucleotiden – de bouwstenen van DNA – zijn verspreid over een CRISPR-regio. Spacers zijn stukjes DNA die worden afgewisseld tussen deze herhaalde sequenties.

In het geval van bacteriën worden de spacers genomen van virussen die eerder het organisme aanvielen. Ze dienen als een geheugenbank, waardoor bacteriën de virussen kunnen herkennen en toekomstige aanvallen kunnen afslaan.

 

Dit werd voor het eerst experimenteel aangetoond door Rodolphe Barrangou en een team van onderzoekers bij Danisco, een bedrijf voor voedingsingrediënten. In een in 2007 gepubliceerde paper in het tijdschrift Science, gebruikten de onderzoekers Streptococcus thermophilus-bacteriën, die vaak worden aangetroffen in yoghurt en andere zuivelkweken, als hun model. Ze constateerden dat na een virusaanval nieuwe spacers werden opgenomen in de CRISPR-regio. Bovendien was de DNA-sequentie van deze spacers identiek aan delen van het virusgenoom. Ze manipuleerden ook de spacers door ze eruit te halen of nieuwe virale DNA-sequenties aan te brengen. Op deze manier konden ze de weerstand van de bacterie tegen een aanval door een specifiek virus veranderen. Zo bevestigden de onderzoekers dat CRISPR’s een rol spelen bij het reguleren van bacteriële immuniteit.

CRISPR-RNA (crRNA): zodra een spacer is opgenomen en het virus opnieuw aanvalt, wordt een deel van de CRISPR getranscribeerd en verwerkt tot CRISPR-RNA of “crRNA”. De nucleotidensequentie van de CRISPR werkt als een matrijs voor het produceren van een complementaire sequentie van enkelstrengs RNA. Elk crRNA bestaat uit een nucleotideherhaling en een spacergedeelte, volgens een 2014-recensie door Jennifer Doudna en Emmanuelle Charpentier, gepubliceerd in het tijdschrift Science.

Cas9: Het Cas9-eiwit is een enzym dat vreemd DNA snijdt.

Het eiwit bindt typisch aan twee RNA-moleculen: crRNA en een ander wordt tracrRNA genoemd (of “transactiverend crRNA”). De twee begeleiden vervolgens Cas9 naar de doellocatie waar het zal worden afgesneden. Deze uitgestrektheid van DNA is complementair aan een 20-nucleotide rek van het crRNA.

Met behulp van twee afzonderlijke regio’s of “domeinen” op zijn structuur knipt Cas9 beide strengen van de dubbele DNA-helix, waardoor een zogenaamde “dubbelstrengige breuk” wordt gemaakt, volgens het Science-artikel van 2014.

Er is een ingebouwd veiligheidsmechanisme dat ervoor zorgt dat Cas9 niet zomaar ergens in een genoom snijdt. Korte DNA-sequenties bekend als PAM’s (“protospacer aangrenzende motieven”) dienen als tags en zitten naast de doelwit-DNA-sequentie. Als het Cas9-complex geen PAM ziet naast zijn doel-DNA-sequentie, zal het niet snijden. Dit is een mogelijke reden dat Cas9 de CRISPR-regio nooit in bacteriën aanvalt, volgens een recensie uit 2014 gepubliceerd in Nature Biotechnology.

CRISPR-Cas9 als gereedschap voor het bewerken van genonen
De genomen van verschillende organismen coderen voor een reeks berichten en instructies binnen hun DNA-sequenties. Genome-bewerking houdt in dat deze reeksen worden gewijzigd, waardoor de berichten worden gewijzigd. Dit kan gedaan worden door een snee of breuk in het DNA in te brengen en de natuurlijke DNA-reparatiemechanismen van een cel te verleiden tot het introduceren van de veranderingen die men wenst. CRISPR-Cas9 biedt een middel om dit te doen.

In 2012 werden twee cruciale onderzoekspapers gepubliceerd in de tijdschriften Science en PNAS, waarmee bacteriële CRISPR-Cas9 werd getransformeerd in een eenvoudige, programmeerbare tool voor het bewerken van genomen.

De onderzoeken, uitgevoerd door afzonderlijke groepen, concludeerden dat Cas9 zou kunnen worden gericht om elk DNA-gebied te snijden. Dit zou kunnen worden gedaan door simpelweg de nucleotidesequentie van crRNA te veranderen, die aan een complementair DNA-doelwit bindt. In het Science-artikel van 2012 hebben Martin Jinek en collega’s het systeem verder vereenvoudigd door crRNA en tracrRNA te fuseren om één ‘gids-RNA’ te creëren. Genome editing vereist dus slechts twee componenten: een gids-RNA en het Cas9-eiwit.

“Operationeel ontwerp je een stuk van 20 [nucleotide] basenparen dat overeenkomt met een gen dat je wilt bewerken”, zei George Church, een professor in de genetica aan de Harvard Medical School. Een RNA-molecuul complementair aan die 20 basenparen wordt geconstrueerd. Church benadrukte het belang om ervoor te zorgen dat de nucleotidensequentie alleen in het doelgen wordt gevonden en nergens anders in het genoom. “Dan zal het RNA plus het eiwit [Cas9] als een schaar knippen – het DNA op die plek, en idealiter nergens anders”, legde hij uit.

Zodra het DNA is afgesneden, komen de natuurlijke herstelmechanismen van de cel in werking en werken ze aan het introduceren van mutaties of andere veranderingen in het genoom. Er zijn twee manieren waarop dit kan gebeuren. Volgens het Huntington’s Outreach Project aan Stanford (University), bestaat één reparatiemethode erin om de twee delen weer aan elkaar te lijmen. Deze methode, die bekend staat als “niet-homologe eindverbinding”, heeft de neiging fouten te introduceren. Nucleotiden worden per ongeluk ingevoegd of verwijderd, wat resulteert in mutaties die een gen kunnen verstoren. Bij de tweede methode wordt de breuk gefixeerd door de opening op te vullen met een reeks nucleotiden.

Bij de tweede methode wordt de breuk gefixeerd door de opening op te vullen met een reeks nucleotiden. Om dit te doen gebruikt de cel een korte DNA-streng als een sjabloon. Wetenschappers kunnen het DNA-sjabloon van hun keuze leveren, waardoor ze schrijven in elk gen dat ze willen, of een mutatie corrigeren.

Nut en beperkingen
CRISPR-Cas9 is de laatste jaren populair geworden. Church merkt op dat de technologie gemakkelijk te gebruiken is en ongeveer vier keer efficiënter is dan de vorige beste genoombewerkings tool (TALENS genaamd).

In 2013 werden de eerste rapporten over het gebruik van CRISPR-Cas9 voor het bewerken van menselijke cellen in een experimentele setting gepubliceerd door onderzoekers van de laboratoria van Church en Feng Zhang van het Broad Institute of the Massachusetts Institute of Technology en Harvard. Studies met in vitro (laboratorium) en diermodellen van menselijke ziekten hebben aangetoond dat de technologie effectief kan zijn in het corrigeren van genetische defecten. Voorbeelden van dergelijke ziekten zijn onder meer cystische fibrose, staar en Fanconi-anemie, volgens een artikel uit 2016 dat is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Biotechnology. Deze onderzoeken banen de weg voor therapeutische toepassingen bij mensen.

“Ik denk dat de publieke perceptie van CRISPR erg gericht is op het idee om gen-editing klinisch te gebruiken om ziekten te genezen,” zei Neville Sanjana van het New York Genome Center en een assistent-professor biologie, neurowetenschap en fysiologie aan de New York University. “Dit is ongetwijfeld een spannende mogelijkheid, maar dit is maar een klein stukje.”

CRISPR-technologie is ook toegepast in de voedings- en landbouwindustrie om probiotische culturen te engineeren en om industriële culturen (voor yoghurt, bijvoorbeeld) te vaccineren tegen virussen. Het wordt ook gebruikt in gewassen om de opbrengst, droogtetolerantie en nutritionele eigenschappen te verbeteren.

Een andere mogelijke toepassing is het maken van genaandrijvingen. Dit zijn genetische systemen, die de kans vergroten dat een bepaald kenmerk van ouder op afstammeling wordt overgedragen. Uiteindelijk, in de loop van generaties, verspreidt het kenmerk zich door hele populaties, volgens het Wyss Institute. Gene drives kunnen helpen bij het beheersen van de verspreiding van ziektes zoals malaria door de steriliteit van de ziektevector te vergroten – vrouwelijke Anopheles gambiae-muggen – volgens het Nature Biotechnology-artikel van 2016. Bovendien kunnen genaandrijvingen ook worden gebruikt om invasieve soorten uit te roeien en resistentie tegen pesticiden en herbiciden om te keren, volgens een artikel uit 2014 van Kenneth Oye en collega’s, gepubliceerd in het tijdschrift Science.

CRISPR-Cas9 is echter niet zonder nadelen.

“Ik denk dat de grootste beperking van CRISPR is dat het niet honderd procent efficiënt is”, vertelde de kerk Live Science. Bovendien kunnen de efficiëntie van het genoen-bewerken variëren. Volgens het Science-artikel van Doudna en Charpentier uit 2014, vond in een onderzoek in rijst gen-editing plaats in bijna 50 procent van de cellen die het Cas9-RNA-complex ontvingen. Terwijl andere analyses hebben aangetoond dat, afhankelijk van het doel, bewerkingsrendementen tot wel 80 procent of meer kunnen oplopen.

Er is ook het fenomeen van “off-target effecten”, waarbij DNA wordt geknipt op andere plaatsen dan het beoogde doelwit. Dit kan leiden tot de introductie van onbedoelde mutaties. Verder merkte de kerk op dat zelfs wanneer het systeem het doelwit snijdt, er een kans is dat het geen nauwkeurige bewerking krijgt. Hij noemde dit ‘genoom vandalisme’.

Grenzen instellen
De vele mogelijke toepassingen van CRISPR-technologie roepen vragen op over de ethische voordelen en gevolgen van knoeien met genomen.

In het Science-artikel van 2014 wijzen Oye en collega’s op de potentiële ecologische impact van het gebruik van gene drives. Een geïntroduceerd kenmerk kan via kruising de doelpopulatie doorverbinden met andere organismen. Gene-aandrijvingen kunnen ook de genetische diversiteit van de doelpopulatie verminderen.

Het maken van genetische modificaties op menselijke embryo’s en voortplantingscellen zoals sperma en eieren staat bekend als kiemlijnbewerking. Omdat wijzigingen in deze cellen kunnen worden doorgegeven aan volgende generaties, heeft het gebruik van CRISPR-technologie om bewerkingen in de kiembaan door te voeren een aantal ethische bezwaren gewekt.

Variabele doeltreffendheid, off-target effecten en onnauwkeurige bewerkingen vormen allemaal veiligheidsrisico’s. Bovendien is er nog veel dat onbekend is voor de wetenschappelijke gemeenschap. In een in Science gepubliceerd artikel uit 2015 stellen David Baltimore en een groep wetenschappers, ethici en juristen vast dat kiemlijnbewerking de mogelijkheid van onbedoelde consequenties voor toekomstige generaties verhoogt “omdat er grenzen zijn aan onze kennis van menselijke genetica, gen-omgevingsinteracties, en de pathways of disease (inclusief de wisselwerking tussen een ziekte en andere aandoeningen of ziekten bij dezelfde patiënt). ”

Andere ethische bezwaren zijn meer genuanceerd. Moeten we veranderingen aanbrengen die toekomstige generaties fundamenteel kunnen beïnvloeden zonder hun toestemming te hebben? Wat als het gebruik van kiemlijnbewerkingen niet meer een therapeutisch hulpmiddel is voor een verbeteringstool voor verschillende menselijke kenmerken?

Om aan deze zorgen tegemoet te komen, hebben de National Academies of Sciences, Engineering and Medicine een uitgebreid rapport samengesteld met richtlijnen en aanbevelingen voor genome editing.

Hoewel de Nationale Academies aandringen op voorzichtigheid bij het nastreven van kiembaanmontage, benadrukken ze ‘voorzichtigheid betekent niet verbod’. Zij bevelen aan dat kiembaanbewerking alleen wordt uitgevoerd op genen die tot ernstige ziekten leiden en alleen wanneer er geen andere redelijke behandelingsalternatieven zijn. Naast andere criteria benadrukken ze de noodzaak om gegevens te hebben over de gezondheidsrisico’s en -voordelen en de noodzaak van continu toezicht tijdens klinische proeven. Ze raden ook aan families voor meerdere generaties op te volgen.

Recent onderzoek
Er zijn veel recente onderzoeksprojecten rond CRISPR geweest. “Het tempo van fundamentele onderzoeksontdekkingen is explosief gestegen, dankzij CRISPR,” zei Sam Sternberg, biochemicus en CRISPR-expert, de groepsleider van technologieontwikkeling bij Caribou Biosciences Inc., Berkeley, Californië, dat op CRISPR gebaseerde oplossingen voor medicijnen ontwikkelt. landbouw en biologisch onderzoek.

Hier zijn enkele van de meest recente bevindingen:

In april 2017 bracht een team van onderzoekers onderzoek uit in het tijdschrift Science dat ze een CRISPR-molecuul hadden geprogrammeerd om stammen van virussen, zoals Zika, in bloedserum, urine en speeksel te vinden.
Op 2 augustus 2017 onthulden wetenschappers in het tijdschrift Nature dat ze met succes een hartaandoeningsdefect in een embryo hadden verwijderd met behulp van CRISPR.
Op 2 januari 2018 kondigden onderzoekers aan dat ze schimmels en andere problemen die een bedreiging vormen voor de chocoladeproductie met CRISPR kunnen stoppen om de planten resistenter te maken tegen ziekten.
Op 16 april 2018 hebben onderzoekers CRISPR geüpgraded om duizenden genen tegelijk te bewerken, volgens onderzoek gepubliceerd door het tijdschrift BioNews.

Whitewalters
Mooie video weer. Alles is altijd mooi en duidelijk uitgelegd , een echte hulp voor mijn examen.

4

Best of Quotes
Fantastische uitleg. Diepgaand en duidelijk

1

Crimiduck
iemand anders morgen examen

2

Comments

Comments are disabled for this post.