Seit der Nobelpreis für Chemie im Jahr 2020 an die Biochemikerin Jennifer Doudna und die Mikrobiologin Emmanuelle Charpentier für die Entwicklung der als Crispr-Cas9 bekannten Gen-Editing-Technik verliehen wurde, hat Crispr viel Aufmerksamkeit und Interesse von Wissenschaftlern erfahren. Die Technik wurde als mögliche Quelle neuer Behandlungen für Krankheiten angepriesen, die durch genetische Mutationen wie Muskeldystrophie und angeborene Blindheit verursacht werden. Laut Science DailyWissenschaftlern ist es gelungen, mithilfe der Crispr-Technik Gen-Editing an Kakerlaken durchzuführen.
Was ist Crisp?
knuspr ist die Abkürzung für geclusterte regelmäßige kurze Palindrom-Wiederholungen. Die Technik wurde als „molekulare Schere“ beschrieben, die es Genetikern und Medizinern ermöglicht, Gene zu bearbeiten, indem sie DNA-Abschnitte entfernen, hinzufügen oder verändern. Die Technik ist einfach anzuwenden, was viele Wissenschaftler glauben lässt, dass neue Anwendungen leicht zu finden sein werden. Es ist die einfachste, präziseste und vielseitigste Gene-Editing-Technik, die es gibt.
Was haben die Wissenschaftler damit gemacht?
EIN kürzlich erschienenes Papier erklärt, dass Wissenschaftler mit Crispr Insektengenome bearbeiten konnten, um Wissenschaftlern bei der Beantwortung grundlegender Fragen zur Biologie zu helfen. Zuvor wurde die Genbearbeitung durch Mikroinjektion von Materialien in die frühen Embryonen des Insekts durchgeführt. Außerdem muss die Embryoneninjektion zwischen der Eiablage und dem Präblastodermstadium erfolgen, was nicht für Arten gilt, die gebären, anstatt Eier zu legen, oder Arten, deren Embryonen früh schwer zugänglich sind, wie z. B. Schaben.
Das macht es sehr schwer, wenn es um Insekten geht. Die Wissenschaftler verwendeten „direktes parentales“ Crispr (DIPA-CRISPR), um erwachsenen Frauen Cas9-Ribonukleoproteine (RNPs) in ihr Hämocoel zu injizieren und so vererbbare Mutationen effizient in sich entwickelnde Oozyten einzuführen.
Quelle: Science Direct
Die Wissenschaftler fanden auch heraus, dass es möglich ist, kommerziell erhältliches Standard-Cas9-Protein zu verwenden, das direkt für DIPA-CRISPR verwendet werden kann. Dies macht diese Lösung weithin anwendbar. DIPA-CRISPR ist wichtig, weil es eine hocheffiziente Genbearbeitung bei Kakerlaken ermöglicht. Diese Entdeckung bedeutet, dass die Technik bei einem breiteren Spektrum von Insekten verwendet werden kann.
Die vorherige Injektion von Eiern war sehr schwierig und umständlich, während diese viel einfachere Methode es Wissenschaftlern ermöglichen wird, Gene in über 90 % der weltweit 1,5 Millionen Insektenarten zu verändern.
In der Vergangenheit war der Fortschritt bei der Genbearbeitung mit Mikroinjektionen sehr langsam. In der Tat war eine genetische Manipulation aufgrund der Natur des Fortpflanzungssystems eines Insekts unmöglich. Die Bearbeitung von Insektengenen ist sehr kostspielig, da sie eine Menge spezifischer Ausrüstung erfordert und technisch anspruchsvoller ist.
Durch die Injektion der Cas9-RNPs in die Hauptkörperhöhle der erwachsenen weiblichen Kakerlake, um Mutationen in die DNA der sich entwickelnden Eizellen einzuführen, fanden die Wissenschaftler heraus, dass die Effizienz der Genbearbeitung bis zu 22 % betragen könnte. Die Gene-Editing-Effizienz bezieht sich auf den Anteil der bearbeiteten Individuen aus dem Pool der geschlüpften. Rote Mehlkäfer hatten mit DIPA-CRISPR eine Effizienz von 50 %. Darüber hinaus konnten die Wissenschaftler Gen-Knockin-Käfer durch Co-Injektion von einzelsträngigen Oligonukleotiden (ssODNS) und Cas9-RNPs erzeugen. Dies zeigt die Verallgemeinerbarkeit der Verwendung von DIPA-CRISPR. Es besteht keine Notwendigkeit, Cas9 kundenspezifisch zu entwickeln oder spezielle Reagenzien zu verwenden, um die Aufnahme in die Eierstöcke zu erleichtern, und daher ist DIPA-CRISPR möglicherweise eine weitaus einfachere, weitaus billigere und weitaus vielseitigere Lösung, die in den meisten Labors und daher überall einsetzbar ist die meisten Insektenarten.
Einschränkungen der Technik
Obwohl die Vorteile von DIPA-CRISPR enorm sind, ist es auch wahr, dass Expertenwissen über die Entwicklung der Eierstöcke in der Zielart erforderlich ist, da die Cas-RNPs Vitellogenese verwenden, damit sie in die Oozyte internalisiert werden können. Das Staging der vitellogenen Weibchen ist daher potenziell sehr wichtig. Dies ist nicht nur entscheidend, sondern angesichts der unterschiedlichen Lebenszyklen und Fortpflanzungsstrategien der Insekten auch schwierig.
DIPA-CRSIPR kann nicht für Arten verwendet werden, bei denen die Oogenese ohne wahrnehmbare Vitellogenese stattfindet, wie z. B. Blattläuse während der parthenogenetischen Reproduktion. Dies gilt für Fruchtfliegen wie die Drosophila melanogaster und einige höhere Diptera. Darüber hinaus hat die D. melanogaster eine im Vergleich zu anderen Arten stark eingeschränkte zeitliche und räumliche Reichweitendurchgängigkeit.
Fazit
DIPA-CRISPR hat ein breites Spektrum potenzieller Vorteile: Es ist nämlich weitgehend verallgemeinerbar, kostengünstig und hat geringere technische Anforderungen, wodurch es in den meisten Labors einsetzbar ist. Folglich können sich Wissenschaftler darauf freuen, die Gene einer breiteren Palette von Insektenarten zu bearbeiten.
DIPA-CRSIPR erfordert nur Cas9-RNAs, was die Genbearbeitung vereinfacht. Darüber hinaus kann kommerziell erhältliches Cas9 in erwachsene Insekten injiziert werden, sodass eine kundenspezifische Entwicklung von Cas9 nicht mehr erforderlich ist.
Es ist eine einzigartige Leistung, die Tür zur Genbearbeitung von über 1,5 Millionen Insektenarten zu öffnen, insbesondere angesichts der Schwierigkeiten, denen die Genbearbeitung in der Vergangenheit ausgesetzt war. Als Folge können grundlegende biologische Fragen von Wissenschaftlern gestellt werden. Zusätzlich; Die Technik macht es möglich, sich die Genbearbeitung anderer Arthropoden wie Milben und Zecken und anderer landwirtschaftlicher und medizinischer Schädlinge sowie Fischereiressourcen wie Krabben und Garnelen unter Verwendung der DIPA-CRISPR-Technik vorzustellen.