Operation mit der Genschere: Mit CRISPR-Tools Gene gezielt verändern

„Wie Zahnschmerzen am ganzen Körper“ – so beschreiben Patient:innen mit Sichelzellanämie die häufig auftretenden Schmerzkrisen, auch vasookklusive Krisen genannt [1]. Dabei verschließen sichelförmig veränderte rote Blutkörperchen kleine Blutgefäße und beeinträchtigen die Sauerstoffversorgung des Gewebes [2]. Die Sichelzellanämie zählt wie die β-Thalassämie zu den schweren erblichen Bluterkrankungen, bei denen die Bildung des Hämoglobins beeinträchtigt ist. Da Hämoglobin für den Sauerstofftransport im Körper verantwortlich ist, kann die Erkrankung unter anderem zu Blutgefäßverschlüssen, Schmerzkrisen und chronischen Organschäden führen [3]. Die einzige potenziell kurative Therapieoption bestand lange Zeit in einer allogenen Stammzelltransplantation. Für viele Patient:innen steht jedoch kein geeigneter Spender zur Verfügung, zudem birgt die Behandlung erhebliche Risiken wie Transplantatabstoßung und Graft-versus-Host-Erkrankung (GvHD) [3].

Im Februar 2024 erweiterten sich die therapeutischen Möglichkeiten für Patient:innen mit Sichelzellkrankheit und transfusionsabhängiger β-Thalassämie jedoch entscheidend: Mit der EU-Zulassung von Exagamglogen autotemcel (Exa-cel; Casgevy®) wurde die erste CRISPR/Cas-basierte Therapie zugelassen. Dafür werden körpereigene Blutstammzellen ex vivo genetisch verändert und anschließend wieder infundiert. Die einmalige Behandlung markiert damit einen bedeutenden Meilenstein für CRISPR-basierte Therapien [1]. Auch in Deutschland wird diese Therapie bereits eingesetzt: Im Mai 2026 wurde an der Berliner Charité erstmals ein Patient mit β-Thalassämie im Rahmen der regulären Versorgung mit Casgevy® behandelt. Seitdem ist er nach Angaben der Charité nicht mehr auf Bluttransfusionen angewiesen [4].

1) Die molekulare Schere: Mit CRISPR gezielt Gene „operieren“

2) Forschung voranbringen mit den CRISPR-Tools von BPS Bioscience

3) Ein Gen ausschalten: CRISPR-Knock-outs

4) Ein Gen gezielt verändern: CRISPR-Knock-ins

5) Ein Gen aktivieren: CRISPR-Aktivierung (CRISPRa)

Die molekulare Schere: Mit CRISPR gezielt Gene „operieren“

Doch wie funktioniert die Gentherapie? Ziel der CRISPR-Therapie ist es, die blutbildenden Stammzellen zur vermehrten Produktion von fetalem Hämoglobin (HbF) anzuregen. Eine Schlüsselrolle spielt dabei das Gen BCL11A, das die HbF-Produktion unterdrückt. Wird BCL11A gezielt inaktiviert, kann wieder mehr HbF gebildet und so die krankheitsbedingte Wirkung des veränderten Hämoglobins bei Sichelzellkrankheit und β-Thalassämie reduziert werden [5]. Und das passende Werkzeug für diesen gezielten Eingriff? Die Genschere CRISPR.

CRISPR basiert auf einem natürlichen antiviralen Abwehrmechanismus von Bakterien. Dabei speichern Bakterien nach einem viralen Angriff kleine Fragmente der Virus-DNA als eine Art molekulares Gedächtnis. Daraus entstehen RNA-Leitsequenzen, die die Cas9-Endonuklease (CRISPR-associated protein 9) bei einem erneuten Befall zu passenden viralen DNA-Sequenzen führen, woraufhin Cas9 den Strang gezielt schneidet und das Virus unschädlich macht [6; 7].

Für die gezielte Genveränderung in Säugetierzellen führt eine genspezifische Leitsequenz (guide RNA, gRNA) Cas9 zur gewünschten DNA-Stelle, wo die Nuklease einen Doppelstrangbruch erzeugt. Bei der anschließenden Reparatur können unterschiedliche genetische Veränderungen entstehen: Beim Knock-out führen kleine Einfügungen oder Deletionen (Indels) häufig zur Inaktivierung des Gens. Beim Knock-in wird zusätzlich eine DNA-Vorlage für die homologieabhängige Reparatur (HDR) bereitgestellt, um gezielt Mutationen oder andere DNA-Sequenzen einzufügen (Abb. 1) [6; 7].

Abbildung 1: Das Funktionsprinzip des CRISPR-Cas9-Systems. Eine Guide-RNA (gRNA) führt das Cas9-Protein gezielt zu einer komplementären DNA-Sequenz, an der Cas9 einen Doppelstrangbruch erzeugt. Die Zelle repariert diesen anschließend entweder durch die nicht-homologe Endverknüpfung (NHEJ), bei der kleine Insertionen oder Deletionen (Indels) entstehen können, die zur Inaktivierung des Zielgens führen, oder durch eine homologieabhängige Reparatur (HDR). Bei letzterer kann mithilfe einer geeigneten DNA-Vorlage gezielt eine Mutation oder eine neue DNA-Sequenz in das Genom eingefügt werden [7].

Forschung voranbringen mit den CRISPR-Tools von BPS Bioscience

Die Zulassung CRISPR-basierter Therapien für Sichelzellkrankheit und β-Thalassämie zeigt das große Potenzial der Technologie. CRISPR-Cas9 ermöglicht vielfältige Anwendungen – von der Untersuchung von Genfunktionen und der Erstellung von Krankheitsmodellen bis zur Entwicklung neuer Therapieansätze [8]. Für entsprechende Forschungsprojekte bietet unser Partner BPS Bioscience ein breites Portfolio an CRISPR-Tools – von Zelllinien und Cas-Proteinen bis hin zu viralen Vektoren. Damit lassen sich unter anderem gezielte Knock-outs und Knock-ins sowie die Aktivierung von Genen realisieren.

Ein Gen ausschalten: CRISPR-Knock-outs

CRISPR-Cas9 eignet sich besonders zur gezielten Inaktivierung von Genen. Je nach Versuchsdesign lassen sich heterogene Zellpools oder stabile Zelllinien aus einzelnen Klonen erzeugen. Während Zellpools einen schnellen und kostengünstigen Einstieg ermöglichen, bieten stabile Zelllinien eine definierte Grundlage für Langzeitstudien und reproduzierbare Experimente.

Für eigene CRISPR-Knock-out-Assays bietet BPS Bioscience gebrauchsfertige, Cas9-exprimierende Zelllinien und Zellpools. Eine genspezifische gRNA kann beispielsweise per Elektroporation oder lentiviraler Transduktion eingebracht werden. Ergänzend stehen rekombinante Cas-Proteine für in vitro-Spaltungsassays zur Verfügung, mit denen sich verschiedene gRNAs hinsichtlich ihrer Schneideeffizienz vergleichen lassen. Darüber hinaus bietet BPS Bioscience integrative und nicht-integrative gRNA-/Cas9-Lentiviren für die direkte Transduktion sowie AAVs mit dem kompakteren Cas9 aus Staphylococcus aureus (SaCas9) an [6; 7].

CRISPR Knock-Out Tool	Produktnummer	Art des Produktes
Cas9 Expressing A549 cell pool	BPS-78072	Zellpool
Cas9-Expressing HEK293 Cell Line	BPS-78166	Zelllinie
Cas9, His-tag (S. pyogenes)	BPS-100206	Protein
Cas12, GST-tag (Lachnospiraceae)	BPS-100740	Protein
B2M (Human) CRISPR/Cas9 Lentivirus (Integrating)	BPS-78340	Lentivirus
CIITA (Human) CRISPR/Cas9 Lentivirus (Non-integrating)	BPS-78434	Lentivirus
AAV1 SaCas9	BPS-78479	AAV
AAV6 SaCas9	BPS-78484	AAV

Ein Gen gezielt verändern: CRISPR-Knock-ins

Mit CRISPR-Cas9 lassen sich nicht nur Gene ausschalten, sondern auch gezielt definierte Veränderungen in das Genom einführen. Beim sogenannten Knock-in können beispielsweise einzelne Nukleotide ausgetauscht oder längere DNA-Sequenzen eingefügt werden. So lassen sich unter anderem Proteinmutationen untersuchen oder Tags in endogene Gene integrieren [6; 7]. Für individuelle Forschungsprojekte bietet BPS Bioscience maßgeschneiderte Knock-in-Zelllinien auf Basis einer lizenzierten CRISPR-Cas9-Technologie an – mit kundenspezifisch vorgegebenen Zielgenen und Zelltypen [9]. Entdecken Sie jetzt alle CRISPR-Services von BPS Bioscience.

Ein Gen aktivieren: CRISPR-Aktivierung (CRISPRa)

CRISPR kann nicht nur Gene ausschalten oder gezielt verändern, sondern auch deren Expression steigern. Dafür lässt sich das CRISPR-SAM-System (CRISPR-based Synergistic Activation Mediator) einsetzen. Es kombiniert eine nicht-schneidende Cas9-Variante (dCas9-VP64) mit den Transkriptionsaktivatoren P65 und HSF1 sowie einer MS2-markierten sgRNA. Die sgRNA führt den dCas9-VP64-Komplex zur Promotorregion des Zielgens. Dort werden über die MS2-Struktur zusätzliche Transkriptionsaktivatoren rekrutiert, die gemeinsam die Transkription und damit die Expression des Gens verstärken (Abb. 2). Je nach Zielgen und Versuchsbedingungen kann die Genexpression dabei um mehr als das Hundertfache gesteigert werden [6; 7; 10].

Abbildung 2: Das Funktionsprinzip des CRISPR-SAM-Systems. Das CRISPR-SAM-System nutzt eine modifizierte, nicht-schneidende Cas9-Variante (dCas9), die mithilfe einer sgRNA gezielt zur Promotorregion eines Gens geführt wird. Dort rekrutiert der dCas9-Komplex mehrere Transkriptionsaktivatoren (VP64, P65 und HSF1), die synergistisch die Transkription und damit die Expression des Zielgens verstärken [10].

Für die gezielte Genaktivierung bietet BPS Bioscience verschiedene CRISPRa-Lösungen. CRISPRa-Zelllinien exprimieren die benötigten Aktivierungskomponenten dCas9-VP64 und MS2-P65-HSF1 bereits stabil; lediglich die genspezifische sgRNA-MS2 muss noch eingebracht werden. Damit eignen sie sich als unkomplizierte Plattform für Aktivierungsexperimente und Screenings. Alternativ stehen sgRNA-MS2-Aktivierungs-Lentiviren mit vier validierten sgRNAs pro Zielgen sowie virusfreie sgRNA-MS2-Aktivierungsplasmide zur Verfügung. Je nach Versuchsdesign ermöglichen diese eine transiente oder stabile Genaktivierung [6; 7].

CRISPRa Tool	Produktnummer	Art des Produktes
CRISPRa (SAM) HeLa Cell Line	BPS-78193	Zellpool
CRISPRa (SAM) Jurkat Cell Pool	BPS-78080	Zelllinie
PD-1 (Human) sgRNA-MS2 Lentivirus (Integrating)	BPS-78190	Protein
PD-1 sgRNA-MS2 for CRISPRa (Plasmid)	BPS-78091	Protein

Die Zulassung einer CRISPR/Cas-basierten Therapie nur rund zehn Jahre nach der grundlegenden Beschreibung der CRISPR-Cas9-Technologie zeigt, wie schnell sich die Methode von einem molekularbiologischen Werkzeug zu einer klinisch relevanten Technologie entwickelt hat. Weitere CRISPR-basierte Therapien könnten in den kommenden Jahren folgen. Doch schon heute hat die Genschere die Forschung nachhaltig verändert: Das gezielte Ausschalten, Verändern und Aktivieren von Genen eröffnet neue Möglichkeiten zur Untersuchung von Genfunktionen und zellulären Prozessen sowie zur Entwicklung von Krankheitsmodellen und Therapieansätzen. Mit den CRISPR-Tools von BPS Bioscience können Sie diese Technologien für Ihre eigenen Forschungsprojekte nutzen.

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