Gen-Schere

Eine Schere, die eine einzige Stelle in drei Milliarden Basenpaaren findet: Das ist CRISPR/Cas9. In der Gen-Schere baust du die Leit-RNA selbst, suchst die passende PAM, setzt den Schnitt – und entscheidest, wie die Zelle den Bruch repariert.

Das lernst du hier

Du erklärst, wie gRNA und PAM zusammen die Schnittstelle festlegen.
Du wendest die PAM-Regel (NGG) auf beide DNA-Stränge an und bestimmst die Schnittstelle.
Du vergleichst die Reparaturwege NHEJ und HDR und ordnest sie ihren Zielen zu (Gen ausschalten oder korrigieren).
Du beurteilst das Risiko von Off-Target-Schnitten.

Übersicht

So funktioniert die Gen-Schere

PAM suchenCas9 bindet nur dort, wo direkt neben der Zielsequenz eine PAM steht: drei Basen nach dem Muster NGG (N = beliebige Base). Klicke die erste Base einer PAM an – im oberen oder im unteren Strang.
gRNA prüfenDie 20 Basen vor der PAM werden zur Zielsequenz. Genau dazu passt die gRNA (guide RNA), die Cas9 wie ein Suchbefehl mitbringt.
SchneidenCas9 öffnet die Doppelhelix, die gRNA paart mit dem Zielstrang, dann schneidet das Enzym beide Stränge drei Basen vor der PAM glatt durch.
Reparieren lassenWähle NHEJ (schnell, ungenau – das Gen geht meist kaputt) oder HDR mit Reparaturvorlage (genau – die Mutation wird korrigiert).
Drei LevelSchnitt setzen, Sichelzell-Mutation reparieren, Off-Target vermeiden. Schaffst du alle drei, wird die Gen-Schere in deinem Forscher-Pass eingetragen.

Gen-SchereCRISPR/Cas9 in drei Leveln

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Merke

CRISPR/Cas9 besteht aus zwei Teilen: der gRNA, die 20 Basen lang zur Zielsequenz passt, und dem Enzym Cas9, das schneidet. Ohne PAM direkt neben der Zielsequenz passiert nichts. Geschnitten wird drei Basen vor der PAM – was danach aus dem Gen wird, entscheidet die Reparatur der Zelle, nicht die Schere.

Typische Fehler

„CRISPR baut ein neues Gen ein.“ Cas9 schneidet nur. Eingebaut wird etwas nur, wenn die Zelle über HDR eine mitgelieferte Vorlage abschreibt.
„Die PAM gehört zur gRNA.“ Nein – die gRNA passt zu den 20 Basen davor. Die PAM erkennt das Cas9-Protein selbst.
„Die gRNA sucht nur im oberen Strang.“ Die Zielsequenz kann auf beiden Strängen liegen. Im oberen Strang erkennst du eine PAM des unteren Strangs an CC.
„Ein Treffer woanders im Genom ist ausgeschlossen.“ Cas9 toleriert einzelne Fehlpaarungen, vor allem weit weg von der PAM. Deshalb werden gRNAs vorher am Computer und im Experiment geprüft.

NHEJ und HDR im Vergleich

NHEJ – schnell und ungenau

Die Zelle verknüpft die beiden Enden direkt wieder (non-homologous end joining). Dabei gehen fast immer einzelne Basen verloren oder kommen hinzu. Ist die Zahl nicht durch drei teilbar, verschiebt sich das Leseraster und das Gen ist praktisch ausgeschaltet.

Dafür nutzt man es: ein Gen gezielt stilllegen (Knockout). NHEJ funktioniert in allen Zellen, auch in solchen, die sich nicht mehr teilen.

HDR – genau, aber selten

Die Zelle repariert nach einer Vorlage (homology directed repair). Bringt man eine passende Donor-DNA mit, lässt sich eine einzelne Base gezielt korrigieren oder eine Sequenz einfügen.

Der Haken: HDR läuft vor allem in sich teilenden Zellen und ist deutlich seltener als NHEJ. Deshalb sind gezielte Korrekturen technisch schwieriger als Knockouts.

Wusstest du?

Die erste zugelassene CRISPR-Therapie heißt Casgevy (Exagamglogen-Autotemcel). Sie kam im November 2023 in Großbritannien, im Dezember 2023 in den USA und im Februar 2024 in der EU auf den Markt – für Sichelzellkrankheit und Beta-Thalassämie. Sie repariert das kranke Globin-Gen aber nicht direkt: Cas9 schaltet außerhalb des Körpers in Blutstammzellen ein Steuergen (BCL11A) ab, damit die Zellen wieder fötales Hämoglobin bilden. Für die Entwicklung der Methode erhielten Emmanuelle Charpentier und Jennifer Doudna 2020 den Chemie-Nobelpreis.

Für Lehrkräfte

Einsatz: im Anschluss an die Themenseite CRISPR/Cas9, als Übung oder Station; gut in Partnerarbeit, weil die Guide-Auswahl zum Diskutieren einlädt. Zeitbedarf: 20–25 Minuten für alle drei Level, plus 15 Minuten für die Aufgaben. Level 3 eignet sich als Einstieg in die Risikodebatte (Off-Target-Effekte, Keimbahn). Die Sequenz in Level 2 stammt aus dem menschlichen HBB-Gen (NM_000518.5) mit der Sichelzell-Variante; Level 1 und 3 sowie der Genom-Ausschnitt im Scan sind erfunden und als Modell gekennzeichnet. Alles läuft lokal im Browser, es werden keine Daten übertragen.

Fachbegriffe

CRISPR: Abschnitte im Erbgut von Bakterien, die Teile früherer Virus-DNA speichern – die Vorlage für die heutige Methode.
Cas9: Enzym, das DNA schneidet; es wird von der gRNA an die Zielstelle geführt.
gRNA: Leit-RNA mit 20 Basen, die zur Zielsequenz passt.
PAM: Kurze Erkennungsstelle neben der Zielsequenz, bei Cas9 nach dem Muster NGG. Ohne PAM schneidet Cas9 nicht.
Doppelstrangbruch: Beide DNA-Stränge sind durchtrennt. Die Zelle muss den Bruch reparieren.
Off-Target-Effekt: Schnitt an einer ähnlichen, aber nicht gemeinten Stelle im Genom.

Arbeitsaufträge

AFB I: wiedergebenAFB II: anwendenAFB III: beurteilen

AFB IBeschreibe in drei Sätzen, wie Cas9 seine Schnittstelle findet. Verwende die Begriffe gRNA, PAM und Doppelstrangbruch.
Lösung anzeigen
Cas9 wandert an der DNA entlang und prüft, ob eine PAM (NGG) vorliegt. Passt daneben die Zielsequenz zur mitgebrachten gRNA, öffnet Cas9 die Doppelhelix und die gRNA paart mit dem Zielstrang. Dann schneidet das Enzym beide Stränge drei Basen vor der PAM: Es entsteht ein Doppelstrangbruch.
AFB IIIn Level 1 gibt es mehrere mögliche PAMs. Gib zwei davon mit Position und Strang an und erkläre, woran du eine PAM des unteren Strangs im oberen Strang erkennst.
Lösung anzeigen
Individuelle Lösung, zum Beispiel die PAM CGG im oberen Strang oder AGG im unteren Strang. Weil der untere Strang komplementär und gegenläufig ist, erscheint sein NGG im oberen Strang als CCN – man sucht also nach zwei aufeinanderfolgenden C.
AFB IIRepariere in Level 2 die Mutation. Erläutere, warum dort NHEJ nicht zum Ziel führt, in Level 1 aber schon.
Lösung anzeigen
In Level 2 soll eine einzelne falsche Base korrigiert werden. Das geht nur mit einer Vorlage, also über HDR. NHEJ fügt zufällig Basen ein oder entfernt sie, verschiebt das Leseraster und zerstört das Gen zusätzlich. In Level 1 ist genau das erwünscht: Das Gen soll ausgeschaltet werden, dafür reicht NHEJ.
AFB IIEine gRNA passt an einer anderen Stelle im Genom mit drei Unterschieden, die alle weit von der PAM entfernt liegen. Erkläre mithilfe von Level 3, warum das gefährlicher ist als drei Unterschiede direkt vor der PAM.
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Die zehn bis zwölf Basen direkt vor der PAM bilden die Seed-Region. Dort muss die Paarung stimmen, sonst löst sich der Komplex wieder. Weiter entfernt toleriert Cas9 einzelne Fehlpaarungen, bindet trotzdem und schneidet. Unterschiede weit weg von der PAM schützen also kaum vor einem Off-Target-Schnitt.
AFB IIIBei Casgevy werden Blutstammzellen außerhalb des Körpers verändert und zurückgegeben. Beurteile, warum das derzeit leichter zu verantworten ist als ein Eingriff in Keimzellen oder frühe Embryonen.
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Bei Körperzellen wirkt die Veränderung nur in der behandelten Person, sie wird nicht vererbt. Treten unerwartete Folgen auf, betreffen sie nur sie, und sie hat selbst eingewilligt. Eingriffe in Keimzellen oder Embryonen verändern alle Zellen und werden an Nachkommen weitergegeben; die Betroffenen können nicht einwilligen, und Off-Target-Effekte wären nicht korrigierbar. In Deutschland verbietet Paragraf 5 Embryonenschutzgesetz die künstliche Veränderung der menschlichen Keimbahn.
AFB III„Mit CRISPR lässt sich jede Erbkrankheit heilen.“ Nimm Stellung und nutze dabei deine Erfahrungen aus den drei Leveln.
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Die Aussage ist stark übertrieben. Argumente dagegen: Es muss eine PAM in der Nähe geben; HDR ist selten und funktioniert vor allem in sich teilenden Zellen; die veränderten Zellen müssen die richtigen sein und ins Zielgewebe gelangen; Off-Target-Schnitte sind möglich; viele Krankheiten beruhen auf vielen Genen und Umwelteinflüssen. Dafür spricht: Bei einzelnen, gut verstandenen Mutationen in erreichbaren Zellen funktioniert es bereits, etwa bei Casgevy. Fazit: Ein starkes Werkzeug für bestimmte Krankheiten, keine Universallösung.

Hintergrundwissen

CRISPR/Cas9Woher die Methode kommt, wie sie arbeitet und wo sie heute eingesetzt wird. GentherapieVom ersten Versuch bis zu zugelassenen Therapien wie Casgevy. Humangenetik und KrankheitenWas die Sichelzell-Mutation im Körper anrichtet. Ethik und GentechnikArgumente prüfen: Was darf verändert werden – und was nicht?

Quellen & Stand

Jinek, M. u. a.: A Programmable Dual-RNA-Guided DNA Endonuclease in Adaptive Bacterial Immunity, Science 337 (2012): science.org.
Nobelprize.org: The Nobel Prize in Chemistry 2020 (Charpentier, Doudna): nobelprize.org.
Europäische Arzneimittel-Agentur (EMA): Casgevy – Produktinformationen: ema.europa.eu.
NCBI Reference Sequence NM_000518.5 (HBB): ncbi.nlm.nih.gov.
Embryonenschutzgesetz, Paragraf 5 (Verbot der Keimbahnveränderung): gesetze-im-internet.de.

Stand: Oktober 2026.