Gene editing/therapy & RNAi
B09GEN
,Inhoud
1.CRISPR-Cas ........................................................................................................................................................................... 3
1.1. DNA: genen en andere elementen .............................................................................................................................. 3
1.2. CRISPR in de natuur ..................................................................................................................................................... 4
1.2.1. Onderdelen van het CRISPR-systeem ................................................................................................................... 5
1.3. CRISPR op het lab ......................................................................................................................................................... 6
1.3.1. CRISPR-Cas bij eukaryoten .................................................................................................................................... 6
1.3.2. Stap voor stap CRISPR-Cas bij eukaryoten (voorbeeld) ........................................................................................ 8
1.3.3. CRISPR-Cas bij prokaryoten................................................................................................................................... 2
1.4. Toepassen van CRISPR-Cas........................................................................................................................................... 4
2. RNA interference................................................................................................................................................................. 6
2.1. Genregulatie (herhaling celbiologie)............................................................................................................................ 6
2.2. RNAi.............................................................................................................................................................................. 6
2.3. RNA interference als therapie.................................................................................................................................... 11
2.4. RNAi in de praktijk...................................................................................................................................................... 13
2.5. RNAi bij planten ......................................................................................................................................................... 14
3. Stamcellen en tissue engineering ..................................................................................................................................... 16
3.1. Stamcellen .................................................................................................................................................................. 16
3.1.1. Artificiële pluripotente stamcellen ..................................................................................................................... 20
3.2. Tissue Engineering ..................................................................................................................................................... 24
4. Gentherapie ...................................................................................................................................................................... 27
4.1. Virale gentherapie vectoren en productie ................................................................................................................. 32
4.2. Voorbeelden gentherapie .......................................................................................................................................... 34
,1.CRISPR-Cas
1.1. DNA: genen en andere elementen
Genomen bevatten genen
• Worden omgezet in eiwitten
• Eiwitten voeren functies uit
Moment van expressie en hoeveelheid eiwit is belangrijk
• Andere elementen bepalen de gen- en eiwitexpressie;
• Promotors, enhancers, silencers etc.
Onderzoek naar functie van een gen of DNA-element
• Kloneren
• DNA (sequenties, motieven, homologieën)
• Eiwit (domeinen, homologieën, 3D structuur)
• Mutaties/deleties maken
Maken van mutaties/deleties
• Drosophila mutaties: bepaalde mutagenen toevoegen, waardoor er verschillende mutaties in de Drosophila
(fruitvlieg) ontstaan, om vervolgens het fenotype te bestuderen
• Knock-out (KO) muizen: bepaalde genen worden verwijderd en er wordt vervolgens gekeken naar hoe de muis
daarop reageert
• Knock-in (KI) muizen: DNA sequenties/genen worden aangepast
• Dubbel/trippel KO-muizen: bij KO-muizen waarbij er helemaal niks veranderd, kan dat komen door homologe
genen die de functie overnemen, hierdoor ontstaan dubbel/trippel KO muizen, om zo ook de homologe genen
te verwijderen
, 1.2. CRISPR in de natuur
CRISPR
• Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats
• Bacterieel afweersysteem tegen virussen
Afweer tegen bacteriofagen
• Bacteriofagen vallen bacterie aan door hun DNA door het bacteriële celmembraan te injecteren
• Bacteriofaag-DNA kan bacteriële cel herprogrammeren om meer bacteriofagen te maken
• Bacteriën hebben systeem om bacteriofagen af te weren: CRISPR
• Elke keer dat nieuwe bacteriofaag een bacterie infecteert, snijdt mechanisme van de bacterie een (specifiek)
deel van het binnendringende bacteriofaag-DNA in stukken en slaat het op in zijn eigen genoom
• Op die manier kan de bacterie, als hetzelfde type bacteriofaag ooit weer tegenkomt, dat opgeslagen stukje DNA
'uittrekken' en het gebruiken om de indringer te herkennen en te vernietigen
Stapsgewijs:
1. DNA van de binnenvallende bacteriofaag wordt opgenomen in een gebied van het bacteriële genoom; de
CRISPR-locus.
2. Tijdens de volgende bacteriofaag-invasie wordt DNA in de CRISPR-locus, dat overeenkomt met de bacteriofaag-
indringer, getranscribeerd in een kort stukje RNA, een CRISPR-RNA genoemd (of crRNA).
3. crRNA's binden aan een groot eiwit (een effectorcomplex genoemd) en leiden het naar het bacteriofaag-DNA,
waarvan de sequentie de crRNA-sequentie aanvult. Het effectorcomplex en zijn crRNA binden aan het
binnendringende bacteriofaag-DNA via Watson-Crick-basenparing.
• Sommige CRISPR-systemen hebben een tweede RNA nodig, een tracrRNA genaamd, dat helpt bij het verwerken
van het crRNA. Het tracrRNA is complementair aan de voorbewerkte crRNA's. Na splitsing door RNAse III, vormt
een ribonuclease, een crRNA /tracrRNA-hybride en leidt het het effectorcomplex om het binnendringende
bacteriofaag-DNA af te breken.
4. Het binnenvallende bacteriofaag-DNA wordt gesneden/geknipt en kan worden opgeslagen in de CRISPR-locus
voor toekomstige invasies.
• Een veelvoorkomend effectorcomplex is Cas9, wat staat voor CRISPR-geassocieerd eiwit 9. Cas9 bindt aan het
crRNA en tracrRNA, zodat de Cas9 het naar de juiste DNA-sequentie wordt geleid (bacteriofaag-DNA, in dit
voorbeeld). Zodra Cas9 aan het target-DNA bindt, voert het een dubbelstrengs DNA-splitsing uit.
B09GEN
,Inhoud
1.CRISPR-Cas ........................................................................................................................................................................... 3
1.1. DNA: genen en andere elementen .............................................................................................................................. 3
1.2. CRISPR in de natuur ..................................................................................................................................................... 4
1.2.1. Onderdelen van het CRISPR-systeem ................................................................................................................... 5
1.3. CRISPR op het lab ......................................................................................................................................................... 6
1.3.1. CRISPR-Cas bij eukaryoten .................................................................................................................................... 6
1.3.2. Stap voor stap CRISPR-Cas bij eukaryoten (voorbeeld) ........................................................................................ 8
1.3.3. CRISPR-Cas bij prokaryoten................................................................................................................................... 2
1.4. Toepassen van CRISPR-Cas........................................................................................................................................... 4
2. RNA interference................................................................................................................................................................. 6
2.1. Genregulatie (herhaling celbiologie)............................................................................................................................ 6
2.2. RNAi.............................................................................................................................................................................. 6
2.3. RNA interference als therapie.................................................................................................................................... 11
2.4. RNAi in de praktijk...................................................................................................................................................... 13
2.5. RNAi bij planten ......................................................................................................................................................... 14
3. Stamcellen en tissue engineering ..................................................................................................................................... 16
3.1. Stamcellen .................................................................................................................................................................. 16
3.1.1. Artificiële pluripotente stamcellen ..................................................................................................................... 20
3.2. Tissue Engineering ..................................................................................................................................................... 24
4. Gentherapie ...................................................................................................................................................................... 27
4.1. Virale gentherapie vectoren en productie ................................................................................................................. 32
4.2. Voorbeelden gentherapie .......................................................................................................................................... 34
,1.CRISPR-Cas
1.1. DNA: genen en andere elementen
Genomen bevatten genen
• Worden omgezet in eiwitten
• Eiwitten voeren functies uit
Moment van expressie en hoeveelheid eiwit is belangrijk
• Andere elementen bepalen de gen- en eiwitexpressie;
• Promotors, enhancers, silencers etc.
Onderzoek naar functie van een gen of DNA-element
• Kloneren
• DNA (sequenties, motieven, homologieën)
• Eiwit (domeinen, homologieën, 3D structuur)
• Mutaties/deleties maken
Maken van mutaties/deleties
• Drosophila mutaties: bepaalde mutagenen toevoegen, waardoor er verschillende mutaties in de Drosophila
(fruitvlieg) ontstaan, om vervolgens het fenotype te bestuderen
• Knock-out (KO) muizen: bepaalde genen worden verwijderd en er wordt vervolgens gekeken naar hoe de muis
daarop reageert
• Knock-in (KI) muizen: DNA sequenties/genen worden aangepast
• Dubbel/trippel KO-muizen: bij KO-muizen waarbij er helemaal niks veranderd, kan dat komen door homologe
genen die de functie overnemen, hierdoor ontstaan dubbel/trippel KO muizen, om zo ook de homologe genen
te verwijderen
, 1.2. CRISPR in de natuur
CRISPR
• Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats
• Bacterieel afweersysteem tegen virussen
Afweer tegen bacteriofagen
• Bacteriofagen vallen bacterie aan door hun DNA door het bacteriële celmembraan te injecteren
• Bacteriofaag-DNA kan bacteriële cel herprogrammeren om meer bacteriofagen te maken
• Bacteriën hebben systeem om bacteriofagen af te weren: CRISPR
• Elke keer dat nieuwe bacteriofaag een bacterie infecteert, snijdt mechanisme van de bacterie een (specifiek)
deel van het binnendringende bacteriofaag-DNA in stukken en slaat het op in zijn eigen genoom
• Op die manier kan de bacterie, als hetzelfde type bacteriofaag ooit weer tegenkomt, dat opgeslagen stukje DNA
'uittrekken' en het gebruiken om de indringer te herkennen en te vernietigen
Stapsgewijs:
1. DNA van de binnenvallende bacteriofaag wordt opgenomen in een gebied van het bacteriële genoom; de
CRISPR-locus.
2. Tijdens de volgende bacteriofaag-invasie wordt DNA in de CRISPR-locus, dat overeenkomt met de bacteriofaag-
indringer, getranscribeerd in een kort stukje RNA, een CRISPR-RNA genoemd (of crRNA).
3. crRNA's binden aan een groot eiwit (een effectorcomplex genoemd) en leiden het naar het bacteriofaag-DNA,
waarvan de sequentie de crRNA-sequentie aanvult. Het effectorcomplex en zijn crRNA binden aan het
binnendringende bacteriofaag-DNA via Watson-Crick-basenparing.
• Sommige CRISPR-systemen hebben een tweede RNA nodig, een tracrRNA genaamd, dat helpt bij het verwerken
van het crRNA. Het tracrRNA is complementair aan de voorbewerkte crRNA's. Na splitsing door RNAse III, vormt
een ribonuclease, een crRNA /tracrRNA-hybride en leidt het het effectorcomplex om het binnendringende
bacteriofaag-DNA af te breken.
4. Het binnenvallende bacteriofaag-DNA wordt gesneden/geknipt en kan worden opgeslagen in de CRISPR-locus
voor toekomstige invasies.
• Een veelvoorkomend effectorcomplex is Cas9, wat staat voor CRISPR-geassocieerd eiwit 9. Cas9 bindt aan het
crRNA en tracrRNA, zodat de Cas9 het naar de juiste DNA-sequentie wordt geleid (bacteriofaag-DNA, in dit
voorbeeld). Zodra Cas9 aan het target-DNA bindt, voert het een dubbelstrengs DNA-splitsing uit.
