Genomredigering med gensaxar som CRISPR/Cas9

Med genomredigering kan förändringar göras i DNA-sekvensen. De tekniker som används kallas för gensaxar och används bland annat för att ta fram nya grödor och nya genterapier.

Bild på en DNA-spiral där ett baspar är markerat i rött för att symbolisera en mutation
Med en gensax kan en mutation induceras på en specifik plats i DNA-sekvensen.

De första gensaxar som utvecklades kom på 1990-talet och baseras på enzymer som heter meganukleaser och zinkfingernukleaser (ZNF). Efter 2009 började även gensaxen TALEN användas och under det senaste decenniet har CRISPR/Cas9 totalt dominerat.

Gensaxar baseras på enzymer som kan klippa i DNA

Huvudrollen vid all genomredigering spelas av en grupp enzymer som heter restriktionsenzymer. Deras specialitet är att de kan klippa av den dubbla DNA-spiralen. Om enzymerna klipper av DNA-spiralen i en levande cell så aktiveras cellens reparationssystem som lagar skadan. DNA-spiralen klistras ihop igen men ofta förändras DNA-sekvensen i snittet och en eller ett fåtal baser tillkommer. En mutation har då uppstått. Det går alltså att använda restriktionsenzymer för att inducera mutationer.

Riktigt användbara blir restriktionsenzymerna om det går att styra var i genomet de klipper och därmed var mutationen uppstår. Det kallas för att rikta mutationer och det är precis det som gensaxar används till. I en gensax sitter ett restriktionsenzym ihop med en annan molekyl som fungerar som vägvisare. Molekylerna som visar vägen är olika för olika gensaxar. För CRISPR/Cas9 är det till exempel ett guide-RNA som styr enzymet Cas9.

Några gensaxar som används – naturliga och konstruerade

Restriktionsenzymer finns naturligt hos bakterier där de ingår i bakteriens immunförsvar. Liksom alla andra levande organismer kan bakterier angripas av virus som de behöver försvara sig mot. En del av försvaret är restriktionsenzymer som klipper sönder allt DNA inne i bakterien som är främmande och kan komma från ett infekterande virus.

CRISPR/Cas9

I gensaxen CRISPR/Cas9 är restriktionsenzymet Cas9 och det vägleds av korta RNA-sekvenser som kallas för guide-RNA. Hela CRISPR/Cas9-systemet har sitt ursprung i bakteriers immunförsvar och utvecklades till en genteknik under början av 2010-talet. Utvecklarna av tekniken Jennifer Doudna och Emmanuelle Charpentier belönades 2020 med Nobelpriset i kemi.

Styrkan och flexibiliteten med CRISPR/Cas9 är att det är enkelt att designa ett guide-RNA att binda till vilken DNA-sekvens som helst. Metoden är också snabb och billig. I bilden nedanför kan du se hur genomredigering med CRISPR/Cas9 går till steg för steg.

Illustration och copyright: Gunilla Elam.

Meganukleaser

Meganukleaser är kompletta gensaxar som finns naturligt hos bakterier men även hos en del alger, jästsvampar och ett fåtal växter. De består av en del som känner igen och binder till en specifik DNA-sekvens, och en enzym-del som klipper itu samma sekvens. Flera hundra meganukleaser har upptäckts och renats fram, men de används inte i samma utsträckning som andra gensaxar. Anledningen är att det har varit svårt för forskare att programmera om dem så att de binder till andra DNA-sekvenser än sina ursprungliga. Det innebär att antalet platser i genomet som kan redigeras är begränsade.

ZNF och TALEN

ZFN och TALEN är båda gensaxar som satts ihop på konstgjord väg. Likt meganukleaser består de av två delar, en del som binder till DNA och en enzym-del som klipper itu DNA-spiralen. För varje ny genomredigering som en forskare vill göra så måste den DNA-bindande delen designas om för det specifika ändamålet. Sedan måste den delen sättas ihop med enzym-delen. ZNF och TALEN är mycket användbara gensaxar men något mindre flexibla än CRISPR/Cas9.

Utvecklingar av CRISPR/Cas9

CRISPR/Cas9 är en ung metod och utvecklats hela tiden vidare främst eftersom nya enzymer upptäckts som har andra egenskaper än Cas9. Till exempel så kan Cas13 och Cas7-11 användas för att klippa i RNA istället för DNA. Det kommer väl till pass för forskare som studerar virus vars genom består av RNA och inte DNA. Ett sådant virus är sars-cov-2 som orsakar covid-19.

Ett annat enzym som heter Cas3 gör inte bara ett klipp i DNA-spiralen utan raderar en lång DNA-sekvens. Det kan vara användbart för forskare som studerar outforskade delar av genomet som inte innehåller gener. Vad händer när en region på en viss kromosom tas bort? Försvinner någon funktion?

Ytterligare en utveckling av gensaxen CRISPR/Cas9 är verktyget ”CRISPRoff” som kan stänga av och sätta på gener. I CRISPRoff är Cas9 utbytt mot ett protein som fäster en metylgrupp (CH3) intill en gen vilket gör att genen stängs av. Om metylgruppen sätts på igen så aktiveras genen åter. Du kan läsa mer om hur geners aktivitet, så kallat genuttryck, regleras med hjälp av bland annat metylgrupper i det här avsnittet.

I länkarna nedanför kan du läsa mer om hur genomredigering används:

Uppdaterades 2022-04-13

Referenser

Visa referenslista Dölj referenslista