De wereld redden met het heldhaftige Cas9-eiwit

In mijn vorige blog heb ik het gehad over hoe CRISPR-Cas bacteriën helpt tegen virussen. In dit deel bespreek ik hoe CRISPR-Cas van een afweermechanisme in bacteriën veranderde in CRISPR-Cas, de revolutionaire techniek voor DNA-modificatie.

Iron Man

CRISPR-Cas is voor mij een soort actiefilm, waarin vijanden (virussen) uit het niets komen, de wereld (een bacteriecel) overnemen en CRISPR-Cas (de held) de wereld zal redden! In elke goeie actiefilm heb je altijd de laatste vechtscène waarin de held onze vijand doodt en de film eindigt met ‘en ze leefden nog lang en gelukkig’. Voor CRISPR-Cas is onze held in het laatste gevecht het Cas9 eiwit. Cas9 is een eiwit dat behoort tot het CRISPR-Cas systeem, net zoals Iron man bij de Avengers hoort.

Nu terug naar de vechtscene zet dramatische muziek aan, Cas9 heeft een reeks letters in zijn hand die overeenkomen met het virus-DNA, Cas9 zoekt als een bezetene naar het virus en zodra hij het spot, knipt onze held het virus-DNA in twee delen. Hoera, het virus is weg en de wereld (de bacteriecel) is weer gered. FIN

Hoewel de film afgelopen lijkt, begint de creatie van de CRISPR-Cas techniek eigenlijk nu pas. Laten we de film even terugspoelen naar de Cas9-held die het virus verslaat. Wetenschappers realiseerden zich dat je de Cas-held kunt ‘overtuigen’ om iets anders te verslaan in plaats van het virus, door de korte reeks letters die de Cas-held in zijn hand heeft te vervangen. Wetenschappers haalden vervolgens Cas9 uit zijn oorspronkelijke bacteriecel, gaf Cas9 een andere korte reeks letters en plaatsten het in een menselijke cel. De reeks letters die Cas9 kreeg, was niet om virussen te knippen, maar om menselijk DNA te knippen. Waarom zouden deze wetenschappers Cas9 een menselijke cel laten aanvallen? Zijn ze gek geworden?!?!?!?!?

DNA repareren

De reden dat wetenschappers Cas9 hebben overgehaald om menselijk DNA te knippen, is om het reparatiesysteem, wat geknipt is, aan te moedigen om het DNA te repareren. Dit moet gerepareerd worden, anders sterft de cel. Tijdens deze reparatie kunnen we DNA ‘modificeren’ of simpelweg: aanpassen. Er zijn twee reparatiesystemen die we kunnen gebruiken om DNA te bewerken. De eerste plakt gewoon de twee DNA-stukken aan elkaar en tijdens dit proces worden een paar DNA-letters verwijderd of geïntroduceerd. Deze stijl van reparatie is niet precies omdat je nooit weet hoe je eind-DNA eruit ziet.

Een preciezere manier om DNA aan te passen is door de cel een stuk DNA te bieden dat een beetje lijkt op het stuk DNA dat weggeknipt is. De cel denkt dan dat het de “originele” sequentie is en gebruikt het om de snee te repareren en je nieuwe stukje DNA-sequentie wordt dan geïncorporeerd in het menselijke DNA.

CRISPR-Cas9 werd veel gebruikt omdat de knipplek makkelijk te veranderen is door Cas9 een andere reeks van letters aan te bieden. Cas9 is bovendien ook zeer efficiënt en vrij nauwkeurig. Cas9 was aanvankelijk super precies, maar er is meer onderzoek gedaan en verschillende versies van Cas9 zijn gemaakt om het nog preciezer te maken.

Kort samengevat: met hulp van CRISPR-Cas9 is het gemakkelijk om DNA te knippen en te plakken door gebruik te maken van de reparatiemechanismen van de cel zelf. Op deze manier kunnen onderzoekers onjuiste DNA-sequenties repareren die genetische ziekten veroorzaken, zoals sikkelcelanemie of Duchenne spierdystrofie. Dat krijgt Iron Man niet voor elkaar, zelfs niet als hij al zijn superkrachten inzet! Maar of je de Iron Man van Crispr-Cas ook in moet zetten, dat is een heel andere discussie, waar je hier meer over leest.

Saving the world with the heroic Cas9 protein

CRISPR-Cas 101 part 2

CRISPR-Cas is like an action movie, where villains (viruses) come out of nowhere and start taking over the world (a bacterial cell) and CRISPR-Cas (the hero) saves the day!

In the previous blog , I discussed how CRISPR-Cas defends bacteria against viruses. In this part, I will discuss how CRISPR-Cas, a defence mechanism in bacteria, went to CRISPR-Cas a revolutionary genome editing tool.

CRISPR-Cas to me is like an action movie, where villains (viruses) come out of nowhere and start taking over the world (a bacterial cell) and CRISPR-Cas (the hero) saves the day! In any good action movie, you always have this final battle scene where the hero slays the villain and the movie ends with a happy ending. For CRISPR-Cas, the hero in the final battle is the Cas9 protein. Cas9 is a protein that belongs to the CRISPR-Cas, how Iron man belongs to the Avengers. Now back to the fight scene, starting dramatic music Cas9 holds a short sequence of letters that matches with the virus DNA, once it has found the virus, it will then SLAY (more accurately cuts) the virus DNA into two and the virus in no more… The world (cell) is once again peaceful. FIN

Well here is the interesting bit, though the movie ended, the creation of the CRISPR-Cas gene editing tool actually starts here. Let’s rewind, the movie shall we? Remember the Cas hero that SLAYED the virus? Scientists realized that you can “convince” the Cas hero to slay something else instead of the virus, by just changing the short sequence of letters the Cas hero hold in its hand. Scientists then took Cas9 out of its original bacterial cell, gave it a different sequence and placed it in a human cell. The sequence that Cas9 was given, was not to cut any virus, but to cut human DNA instead. Why would these scientist make the Cas9 attack a human cell? Are they crazy?!?!?!?!?

The reason scientists guided Cas9 to cut human DNA is to encourage the repair system, but what has been cut, has to be repaired, otherwise the cell dies. It is during the repair is where we can “edit” DNA. There are two repair systems we can use to edit DNA, the first one just glues back the two DNA pieces together and during this process, removes or introduces a few DNA letters. This style of editing is not precise because you never know what you will get form this repair.

A more precise way of DNA editing is by giving the cell a piece of DNA that is a bit similar to the piece of DNA that has been cut. The cell then thinks it is the original sequence and uses it to repair the cut and your piece of DNA sequence will incorporated into the human DNA.

CRISPR-Cas9 became widely popular because you can easily change the place where it cuts, by just giving it a different sequence. It addition, it is also very efficient and quite precise. Cas9 at first was super precise, but many research has been done and different version of Cas9 were made to make it precise now.

In summary, using CRISPR-Cas9, we can easily cut DNA and use the cell’s repair mechanism to introduce changes to those DNA. This way, researchers can repair incorrect DNA sequences that causes horrific genetic diseases, such as sickle cell anaemia or Duchenne muscle dystrophy. Iron Man won’t be able to do that with all his super powers! But if you’ll always have to use the super powers of Cas9 is a different discussion. Interested? You can find more information here