Genoombewerking omvat technieken waarmee onderzoekers een specifieke DNA-sequentie kunnen “bewerken” of veranderen. Deze methoden zijn gebaseerd op het maken van kleine “sneden” in DNA, die cellen proberen te herstellen, vaak onvolledig. Op deze manier kunnen wetenschappers mutaties induceren in gerichte sequenties met grotere efficiëntie in vergelijking met klassieke gentargeting.
In deze video bespreken we de principes achter drie genoombewerkingstechnieken en bespreken we een gegeneraliseerd protocol voor een van hen, het CRISPR-Cas9-systeem. We zullen vervolgens enkele toepassingen van deze methoden verkennen.
Eerst bekijken we de principes achter genoombewerking.
De klassieke methode voor het introduceren van genetische veranderingen in specifieke sequenties in het genoom is gentargeting door homologe recombinatie, waarbij de opname van homologe sequenties in het targeting-construct leidt tot het “uitschakelen” van het endogene gen voor een gewijzigde versie.
Net als gentargeting kan genoombewerking veranderingen doen op specifieke DNA-gebieden, maar het kan dit met veel hogere efficiëntie doen, waardoor de gewenste mutaties in meer cellen in elk experiment worden vastgesteld.
Alle genoombewerkingsmethoden zijn gebaseerd op het vermogen van een cel om dubbelstrengsbreuken in zijn DNA te repareren die door endonucleasen worden gemaakt. Deze schade kan worden gerepareerd door non-homoloog eindverband of NHEJ, waarbij gebroken DNA-einden direct worden hersteld; of door homologie-gestuurde reparatie of HDR, waarbij de schade wordt hersteld door te kopiëren van een homoloog sjabloon. NHEJ is meestal niet perfect en kan resulteren in het verwijderen of toevoegen van meerdere basen aan het gerepareerde DNA, waardoor de doelsequentie wordt gemutateerd. Aan de andere kant stelt HDR onderzoekers in staat om een sjabloon toe te voegen om specifieke wijzigingen in de doelsite te richten.
De afgelopen jaren zijn er drie belangrijke genoombewerkingstechnieken ontwikkeld en gepopulariseerd.
Bij één methode fuseren onderzoekers DNA-bindende “zinc finger”-domeinen van bepaalde transcriptiefactoren met het DNA-splitsende domein van de FokI-endonuclease. Aangezien elk zinc finger-domein een specifiek nucleotidentripel herkent, kunnen deze domeinen kunstmatig aan elkaar worden gekoppeld om zinc finger nucleases of ZFNs te maken die unieke DNA-sequenties targeten.
Vergelijkbaar sluiten nucleasen genaamd “TALENs” FokI aan bij de variabele DNA-bindende domeinen van bacteriële eiwitten genaamd transcriptie-activator-achtige effectoren, of TALEs. Elke TALE-domein herkent een enkele, unieke DNA-base, waardoor TALENs hun sequentiespecificiteit krijgen.
Ten slotte gebruikt het CRISPR-Cas9-systeem componenten van een prokaryotisch immuunsysteem dat normaal gesproken zijn gastheer beschermt tegen inbreuk door vreemd genetisch materiaal, zoals dat in virussen of plasmiden. In dit systeem worden stukken van binnenvallend vreemd DNA, genaamd “protospacers”, opgenomen in een CRISPR-locus, die vervolgens wordt getranscribeerd en verwerkt door eiwit-RNA-machinerie tot kleine RNA's genaamd crRNA's.
Wetenschappers benutten de CRISPR-machinerie voor genomische bewerkingsdoeleinden door het ontwerpen van crRNA-achtige geleidesequenties die bekend staan als “enkelvoudige geleide” of sgRNA, die kunnen worden gebruikt om Cas9 te richten op bijna elke gewenste genetische sequentie in zoogdiercellen of andere systemen van belang. De eenvoudige aanpasbaarheid van het op RNA-sequentie gebaseerde CRISPR-Cas9-systeem biedt duidelijke voordelen boven op eiwit-gebaseerde genoombewerkingsmethoden zoals ZFNs en TALENs.
Nu u hebt geleerd over de principes achter genoombewerking, laten we een typisch protocol bekijken van het gebruik van CRISPR om gerichte genetische veranderingen in zoogdiercellen te creëren.
Eerst wordt een genomische locatie gekozen om te bewerken. Deze regio moet kort zijn—ongeveer 20 basenparen groot—en bezit een 3-basenparen lange “protospacer aangrenzend motief” of “PAM” aan zijn 3′-uiteinde. De PAM is vereist voor Cas9 om de doel-DNA-regio te herkennen en te kleden, en de exacte sequentie is specifiek voor de organisme-van-oorsprong van de Cas9 die wordt gebruikt. Zodra een potentiële site is geïdentificeerd, moet deze worden doorzocht tegen de genoomsequentie om er zeker van te zijn dat vergelijkbare sites nergens anders in het genoom worden gevonden, en dus geen off-target genomische regio's worden bewerkt.
Om de CRISPR-geleidesequentie te synthetiseren, worden twee oligonucleotiden gegenereerd, één identiek en één complementair aan de doelsequentie. Extra sequenties worden op hun 5′-uiteinden opgenomen voor compatibiliteit met de sgRNA-vectoren. Deze oligonucleotiden worden vervolgens samen gemengd, gedenatureerd en vervolgens geannealeerd.
Vervolgens wordt een plasmide dat een sgRNA “scaffold” bevat, gesneden met het juiste restrictie-enzym, gemengd met de gesynthetiseerde CRISPR-geleidesequentie en geïncubeerd met ligase-enzym om de sgRNA-construct te maken. Het plasmide kan vervolgens in bacteriën worden getransformeerd en gekweekt voor amplificatie. Eenmaal gezuiverd uit bacteriën wordt de CRISPR-construct geco-getransfecteerd met een construct dat Cas9 codeert in de cellen waarvan het genoom moet worden bewerkt. Deze getransfecteerde cellen worden gekweekt om klonale koloniën te vormen.
Genoom-DNA kan uit elke kolonie worden geïsoleerd en geanalyseerd door PCR of sequentiebepaling om diegenen te screenen waarin het CRISPR-systeem de gewenste mutaties heeft geproduceerd.
Een goed gevestigde techniek voor het wijzigen van specifieke sequenties in het genoom is gentargeting door homologe recombinatie, maar deze methode k…
Hoofdstukken in deze video
0:00
Overview
0:45
Principles of Genome Editing
4:10
Generalized CRISPR Protocol
6:11
Applications
8:03
Summary
Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.