Valintakoe B: Lääketiede ja biotieteet
Mikä on CRISPR-Cas9 ja miten se toimii?
CRISPR-Cas9 on bakteerien puolustusjärjestelmästä kehitetty geenimuokkausmenetelmä, jolla DNA voidaan katkaista halutusta kohdasta. Opas-RNA pariutuu kohdejakson kanssa emäspariperiaatteella ja ohjaa Cas9-entsyymin katkaisemaan DNA:n molemmat juosteet. Solun oma korjauskoneisto korjaa katkoksen, ja korjaustavasta riippuu, hiljeneekö geeni vai saadaanko siihen tarkka, ennalta suunniteltu muutos.
Järjestelmä on alun perin bakteerien puolustus viruksia vastaan. Bakteeri tallentaa kohtaamiensa virusten DNA-jaksoja perimänsä CRISPR-alueelle ja tuottaa niistä RNA:ta, joka ohjaa Cas-entsyymin pilkkomaan saman viruksen DNA:n seuraavalla infektiokerralla. Emmanuelle Charpentier ja Jennifer Doudna saivat menetelmän kehittämisestä kemian Nobel-palkinnon vuonna 2020.
Uuden kohteen valitseminen vaatii vain uuden opas-RNA:n suunnittelun, minkä vuoksi menetelmä on nopeampi ja halvempi kuin aiemmat geenimuokkauskeinot. Cas9 katkaisee DNA:n vain, jos kohdejakson vieressä on lyhyt tunnistejakso, PAM.
Katkoksen voi korjata kahdella tavalla. Epätarkka liitos voi lisätä tai poistaa muutaman emäksen, jolloin lukukehys siirtyy ja geeni hiljenee. Jos soluun tuodaan malli-DNA, katkos voidaan korjata sen mukaan, ja geeniin saadaan tarkka muutos. Haasteita ovat muutokset vääriin kohtiin ja se, että kaikki solut eivät muokkaudu samalla tavalla.
Esimerkki
Opas-RNA:n kohdejakso on 20 emästä pitkä. Kuinka monta erilaista 20 emäksen jaksoa on olemassa, ja kuinka monta kertaa satunnainen 20 emäksen jakso odotusarvoisesti esiintyisi ihmisen genomissa, jossa on noin 3,2 · 10⁹ emäsparia?
- Jokaisessa kohdassa voi olla neljä eri emästä, joten erilaisia jaksoja on 4²⁰ ≈ 1,1 · 10¹².
- Genomissa on kaksi juostetta, joten tarkasteltavia kohtia on noin 2 · 3,2 · 10⁹ = 6,4 · 10⁹.
- Odotusarvo on 6,4 · 10⁹ / 1,1 · 10¹² ≈ 0,006, joten 20 emäksen jakso riittää yleensä yksilöimään kohteen. Laskussa oletetaan emäkset satunnaisiksi, mikä ei aivan pidä paikkaansa.
- Muutoksia vääriin kohtiin voi silti syntyä, koska Cas9 voi katkaista myös jaksoja, jotka poikkeavat kohteesta muutaman emäksen verran.
Tyypillinen virhe
CRISPR-Cas9 ei itse korjaa geeniä, vaan tekee katkoksen, ja lopputulos riippuu solun korjausreitistä. Toinen virhe on olettaa, että muutos periytyy aina: vain sukusoluihin tai alkioon tehty muutos voi siirtyä jälkeläisille.
Valintakokeessa B
Geenitekniikka kuuluu lukion biologiaan, johon valintakoe B perustuu, ja kokeessa arvioidaan tiedon soveltamista. Menetelmän vaiheet kannattaa osata niin, että pystyy päättelemään, mitä tapahtuu, jos jokin osa puuttuu.
Missä kurssissa tämä opetetaan
SmartVK:n valintakoe B -kurssin luvussa 19: Geenisäätely ja geenitekniikka. Katso kurssin sisältö.
Kysymyksiä
Mitä eroa on CRISPRillä ja restriktioentsyymillä?
Restriktioentsyymi tunnistaa aina saman lyhyen emäsjakson, tavallisesti 4-8 emästä, ja katkaisee DNA:n jokaisesta kohdasta, jossa jakso esiintyy. CRISPR-Cas9 ohjataan opas-RNA:lla noin 20 emäksen kohteeseen, jonka voi valita vapaasti. Siksi CRISPR sopii yksittäisen geenin muokkaamiseen.
Periytyykö CRISPR-muokkaus?
Se riippuu siitä, mitä soluja muokataan. Jos muokataan esimerkiksi potilaan veren kantasoluja, muutos koskee vain häntä eikä siirry jälkeläisille. Jos muokataan sukusoluja tai varhaista alkiota, muutos voi periytyä. Periytyvään ihmisalkion muokkaukseen liittyy suuria eettisiä kysymyksiä, ja monissa maissa se on kielletty.