Der Nobelpreis für Chemie 2020 zeichnet Emmanuelle Charpentier und Jennifer Doudna für die Entwicklung einer Methode zur Erbgut-Veränderung aus. Die Möglichkeiten der Genschere CRISPR/Cas9 in der Therapie z. B. von Krebs- Erbkrankheiten sind riesig – gleichzeitig gibt es auch Gefahren. Doch was ist das Gen-Werkzeug überhaupt?

 

Sprengkraft hat er, der auf den Dynamiterfinder und Chemiker Alfred Nobel zurückgehende Nobelpreis. Und das auch in diesem Jahr, wie in der Kategorie Chemie: Seit der Entdeckung der Genschere CRISPR/Cas9 im Jahr 2012 gibt es eine Flut an wissenschaftlichen Veröffentlichungen und Diskussionen. Die beiden Entdeckerinnen Emmanuelle Charpentier, derzeit Leiterin der Max-Planck-Forschungsstelle für die Wissenschaft der Pathogene in Berlin, und Jennifer Doudna, Professorin an der University of California in Berkeley, haben mit der CRISPR/Cas9-Methode ein neues Feld in der Biotechnologie und Gentechnik geschaffen. Mit dieser Methode lässt sich das Erbgut aller Lebewesen schneller und gezielter verändern als je zuvor.

 

Woher kommt das Werkzeug?

Ursprünglich stammt das CRISPR/Cas-System aus Bakterien: Es dient ihnen als natürlichen Mechanismus, mit dem sie sich vor schädlichen Viren schützen. Dazu spalten die bakteriellen Cas-Proteine die eingedrungene Virus-DNA in kleine Fragmente auf. Diese werden dann in einem bestimmten Abschnitt im Bakterien-Erbgut aus kurzen, sich wiederholenden DNA-Sequenzen eingefügt – wie eine neue Buchreihe im (haptischen) Bücherregal. Man nennt diesen Abschnitt CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats). Werden die Bakterien erneut von diesen Viren befallen, werden die CRISPR-Abschnitte in RNA umgeschrieben. Diese inspiziert dann die Viren-DNA: Ist die Virus-DNA mit dem gespeicherten Abschnitt identisch, wird sie durch die Cas-Proteine zerschnitten – und dem Virus der Garaus gemacht.

Erst die Entdeckung des vollständigen Systems verschaffte den Wissenschaftlerinnen Doudna und Charpentier den Durchbruch. Somit konnten sie die „Genschere“ konstruieren, bestehend aus der DNA-Sequenz, einer RNA für das Erkennen der Fremd-DNA, und dem Schneide-Enzyms Cas.

 

CRISPR/Cas9 – das Tool

Doch was genau macht das System? Es handelt sich hierbei um ein präzises Schneide-Instrument, das punktuelle Veränderungen der DNA ermöglicht.

Das Genome Editing-Verfahren läuft in drei Schritten ab:

  1. Detektivarbeit: Der CRISPR-Abschnitt erkennt das jeweilige Ziel, d. h. eine bestimmte DNA-Sequenz im gewünschten Gen. Damit genau die Stelle gefunden wird, bei der eine Änderung durchgeführt werden soll, wird eine passende „Sonde“ aus RNA-Abschnitten konstruiert. Sie entspricht der DNA-Abfolge der gewünschten Zielsequenz. Hat die Sonde die Zielsequenz gefunden, dockt sie dort an.
  2. Der Cut: An dem CRISPR-Abschnitt ist ein Protein, Cas9, gekoppelt. Es schneidet den DNA-Doppelstrang exakt an der angedockten Stelle, der gewünschten Zielsequenz.
  3. Reparatur und Modifikation: Die zelleigenen Reparatursysteme verknüpfen den durchtrennten DNA-Strang wieder. In diesem Schritt können einzelne DNA-Bausteine entfernt oder modifiziert werden. Zudem lassen sich auch kurze DNA-Sequenzen neu einbauen. So lässt sich das Gen ausschalten oder die DNA anschließend „umschreiben“, also eine gezielte Änderung in der Basenabfolge einführen.

Das Verfahren funktioniert grundsätzlich bei allen Organismen.

 

Perspektiven

Verglichen mit anderen Genome Editing-Verfahren lässt sich die CRISPR/Cas-Methode viel schneller, einfacher und kostengünstiger durchführen. Zudem funktioniert sie präziser, unbeabsichtigte Schnitte im DNA-Strang außerhalb der Zielregion sind seltener.

Bei der klassischen Gentechnik, wie sie in der Pflanzenzüchtung angewandt wird, ist es hingegen vom Zufall abhängig, an welcher Stelle im Genom das neue, zusätzliche Gen integriert wird. Der ungezielte Einbau des Fremdgens an irgendeiner Stelle kann somit die Gen-Funktionen beeinträchtigen. Deshalb sind für gentechnisch veränderte (gv-)Pflanzen in den meisten Ländern aufwändige Zulassungsverfahren vorgeschrieben. Die Hersteller müssen vor der Markteinführung die Sicherheit ihrer Produkte nachweisen. Eine solche Zulassung für gv-Pflanzen benötigt viel Zeit und verschlingt enorme Kosten, sodass solche Entwicklungen meist nur Großkonzerne ermöglichen können.

In der molekularen Pflanzenzüchtung ist das Verfahren dann sicher und zielführend, wenn nur diejenigen Pflanzen verwendet werden, die genau die gewünschte Mutation tragen. Es werden bereits Experimente durchgeführt, etwa um bestimmte Pflanzen resistent gegen Viren zu machen oder auch Gluten-arme Weizensorten herstellen zu können. Auch könnten sich Pestizide einsparen lassen und ein höherer Ertrag erzielen lassen. Die meisten Studien kommen aus China, gefolgt von den USA. Während in den USA bereits einige Freisetzungsversuche mit CRISPR-Pflanzen im Gange oder geplant sind, ist das Vorgehen in Europa streng reguliert.

Bedeutsam ist die Methode vor allem für die medizinische Grundlagenforschung. So könnten bestimmte Genfunktionen, die bisher nicht klar verstanden sind, aufgeklärt werden. Weil die Methode so spezifisch ist und man bis dato wenige bis keine gefährlichen Veränderungen entdeckt hat, wurden vielfache Versuche mit gesunden Spenderzellen vorgenommen. Das Ziel ist klar: Für spezielle Therapien könnte man bald auch in klinische Studien starten. Bereits letztes Jahr war es soweit: Bei einer Patientin mit Sichelzellanämie wurde die weltweit erste unternehmensfinanzierte Therapie mit der Genschere CRISPR an einem Menschen durchgeführt. Dazu wurden der Patientin Milliarden von Blutstammzellen aus dem Knochenmark entnommen und im Labor mit der CRISPR/Cas-Methode genetisch verändert. Anschließend erhielt die Patientin eine Chemotherapie, um im Körper das Knochenmark mit dem Gendefekt zu eliminieren. Einige Zeit danach wurden die im Labor genveränderten Zellen zurück in den Körper der Patientin geleitet.

Auch in der Diagnostik kann die Methode zukünftig eingesetzt werden, z. B. als Schnelltest für Virusnachweis wie etwa das neue Coronavirus. Dabei kann der CRISPR-basierte Test durch Austausch der „Suchschablone“ in der CRISPR-Sequenz schnell an den jeweiligen Virus angepasst werden. Wann der entwickelte SARS-CoV2-Test offiziell zugelassen und ausreichend verfügbar sein wird, ist aktuell noch offen (Nature Biology, 2020).

 

Welche Gefahren gibt es?

Bei all den aussichtsreichen Perspektiven ist das Verfahren jedoch umstritten, da bereits eine geringe Fehlerrate fatale Folgen haben kann, wie etwa unkontrolliertes Zellwachstum. Auch können durch eine gezielte Veränderung von Keimzellen mit CRISPR-Cas eingebrachte Mutationen an Nachkommen weitergegeben werden. Potenziell auftretende Fehler können so für immer im Erbgut gespeichert sein. Auch werden ethische Fragen aufgeworfen. Denn es muss unterschieden werden, ob das Werkzeug eine bahnbrechende Methode zur Behandlung einer schweren Krankheit darstellt oder als „Designer-Update“ missbraucht werden kann. In China gab es im November 2018 einen ersten Fall, bei dem ein Wissenschaftler in das Genom von zwei Babys noch im Embryonenstadium eingegriffen hatte, um sie vor einer möglichen HIV-Infektion zu schützen (Nature-Artikel). Zuvor gab es zwar bereits Experimente mit Embryonen, jedoch nicht mit lebenden, die dann ausgetragen wurden. Wenn solch eine Manipulation in Keimzellen oder im sehr frühen Embryo-Stadium erfolgt, wird sie auch an die folgenden Generationen weitergegeben. Es ist ein Eingriff in die Keimbahn – und somit ein Überschreiten ethischer Grenzen. Dieser Eingriff ist international verurteilt worden.

Zur Regulierung ist zum Beispiel auch das WHO-Expertengremium gefordert, wie auch das Bundesinstitut für Risikobewertung und viele weitere Gremien. Denn wie bei vielen anderen hochtechnologischen Errungenschaften ist es wichtig, den Nutzen klar herauszustellen und Risiken auszuschließen sowie Missbrauch zu verhindern.

 

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