CRISPR-FORSCHUNG Genome Editing als ein vielverprechendes Instrument für Medizin und Landwirtschaft

Die Genome-Editing-Methode CRISPR stellt Wissenschaftlern eine Art mikroskopische Schere zur Verfügung, mit der genetische Codes, die für Erbkrankheiten verantwortlich sind, entfernt werden können. In den USA und in China beginnen nun Versuche am Menschen; die Begeisterung für das medizinische Potential dieser Methode wird jedoch von Sorgen über die Langzeitfolgen für die Evolution gedämpft.

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der schreckliche Erbkrankheiten wie Mukoviszidose und Hämophilie aus dem genetischen Code eines ungeborenen Kindes editiert werden können, so einfach wie Sie einen Satz in Ihrem Textbearbeitungsprogramm herausschneiden und wieder einfügen können. Oder stellen Sie sich vor, die gleiche Technologie zur Erzeugung von dürreresistenten Weizenarten einzusetzen.

Das hört sich vielleicht wie Science Fiction an, diese Art der Gentechnik ist aber dank der Methode mit dem Namen CRISPR (kurz für „Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats“) deutlich leichter geworden. Die CRISPR Methode ist noch keine zehn Jahre alt, hat die wissenschaftliche Welt jedoch bereits im Sturm erobert. Viele Fachleute halten diese Methode für die größte medizinische Errungenschaft seit Impfstoffen und Antibiotika.

„Die CRISPR-Methode ist eine enorme Weiterentwicklung, da sie überaus leistungsfähig ist“, so Kristian Laursen, dänischer pharmakologischer Forscher, Weill Cornell Medical College, New York. „Mit dieser Methode können Sie auf spezifische Orte im Genom abzielen und sie ist viel einfacher in der Anwendung als die umständlichen Systeme der Vergangenheit.“

CRISPR ist eine Entdeckung und weniger eine Erfindung. Die Methode basiert auf der Erkenntnis, dass viele einzellige Bakterien ein Abwehrsystem besitzen, das durch sich wiederholende DNA-Abschnitte gekennzeichnet ist.
Zwischen diesen identischen Wiederholungen liegen kurze Segmente mit „Spacer-DNA“, die von Viren stammt, mit denen das Bakterium zu einem früheren Zeitpunkt in Kontakt gekommen ist. Diese DNA-Abschnitte erlauben es, dass das Bakterium einen erneuten Angriff erkennen und abwehren kann. Wenn also ein Bakterium von einem Virus erneut angegriffen wird, erkennt eine winzige molekulare Schere die DNA des eingedrungenen Virus und schneidet sie ab.

CRISPR-FORSCHUNG BEI MENSCHEN

Dieses Wissen machten sich Jennifer Doudna, Professorin für Biochemie und Molekularbiologie, Universität von Kalifornien, Berkeley, und Emmanuelle Charpentier, Mikrobiologin und Direktorin der Abteilung Regulation in der Infektionsbiologie, Max-Planck-Institut für Infektionsbiologie, Berlin, zu Nutze: Durch Hinzufügen eines Enzyms, das sie Cas9 (CRISPR associated protein 9) nannten, und einigen Helferproteinen kann diese molekulare Schere in einem beliebigen Genom am gewünschten Ort angesetzt werden, um ein Gen-Einzelstück herauszuschneiden.

In nur wenigen Jahren wurde die CRISPR-Methode zum Editing von Pflanzen-, Tier- und sogar Menschen-Genomen benutzt. In einem erstaunlichen CRISPR-Experiment wurde tiefgefrorene DNA des seit 4.000 Jahren ausgestorbenen Wollhaarmammuts in eine Elefanten-Leihmutter verpflanzt, um diese Spezies wieder ins Leben zu rufen – ein Szenario, das an den Film Jurassic Park erinnert.

„DIE CRISPR-METHODE IST EINE ENORME WEITERENTWICKLUNG, DA SIE ÜBERAUS LEISTUNGSFÄHIG IST. SIE IST VIEL EINFACHER IN DER ANWENDUNG ALS DIE UMSTÄNDLICHEN SYSTEME DER VERGANGENHEIT.”

KRISTIAN LAURSEN PHARMAKOLOGISCHER FORSCHER, WEILL CORNELL MEDICAL COLLEGE

Und nun machen Wissenschaftler erste Vorstöße auf dem Weg zur Anwendung der CRISPR-Methode bei Menschen.

Im Juli 2016 kündigten chinesische Wissenschaftler in Chengdu an, menschlichen Lungenkrebs durch Abschalten eines Gens (Gen-Knockout) in den T-Zellen des Immunsystems behandeln zu wollen. Vier weitere Gruppen von Wissenschaftlern in China haben das menschliche Genom bereits geändert, allerdings bei Embryonen, die eine Geburt nicht überleben können.

Das Recombinant DNA Advisory Komitee (RAC) des US-amerikanischen National Institutes of Health (NIH) kündigte im Juni 2016 an, dass die CRISPR/Cas9-Methode zum Editing von zwei Genen in T-Zellen des Immunsystems genehmigt worden ist, damit sich diese T-Zellen gegen Krebserkrankungen wie Myelome, Melanome und Sarkome richten.

VERERBUNG VON VERÄNDERTEN GENEN

Einige Wissenschaftler stehen Experimenten an Menschen mit gemischten Gefühlen gegenüber. „Die Anwendung von neuen Genome-Editing-Methoden in diesem Bereich besitzt großes Potential zur Verbesserung der menschlichen Gesundheit, es gibt aber auch Bedenken“, so Carrie D. Wolinetz, Associate Director für Wissenschaftspolitik, NIH, in einem Beitrag von 2016 zum NIH-Blog „Under the Poliscope: Bringing Science Policy into Focus“.

Eine wichtiger Aspekt solcher Experimente bei lebenden Menschen besteht darin, dass jegliche Genomänderungen an die nächste Generation weitergegeben werden. Es ist möglich, dass diese winzigen Modifikationen über die folgenden Jahrzehnte tiefgreifende, bisher unbekannte Mutationen hervorrufen.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Einfachheit der CRISPR-Methode: Der Synthesebiologe Josiah Zayner ist einer von vielen, die DIY-Bakterienkits bereits online vermarkten – für den Gebrauch zuhause. Terroristen oder Schurkenstaaten könnten die Technologie nutzen, um „Frankenstein“-Erkrankungen als Waffe zu erzeugen. James R. Clapper, Direktor der US-amerikanischen Nachrichtendienste, nahm im Rahmen einer Bewertung weltweiter Bedrohungen für den US-Kongress im Februar 2016 das Genome Editing sogar in seine Liste der Massenvernichtungswaffen und deren Verbreitung auf.

CRISPR-FORSCHUNG AN NUTZPFLANZEN

Wissenschaftler glauben einstweilen, dass eine praktische und kommerzielle Anwendung der CRISPR-Technologie zunächst in der Landwirtschaft zu erwarten ist. Saatgutunternehmen raufen sich bereits heute um Verbesserungen der Nutzpflanzen wie Reis und Weizen, und die CRISPR-Methode könnte diesen eine größere Resistenz gegen Schädlinge und Dürre verleihen.

Caixia Gao ist nach vieljähriger Tätigkeit in Dänemark nun Forscherin am Institut für Genetik und Entwicklungsbiologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. Sie erinnert sich, dass Wissenschaftler früher mit einem Mutagenese-Prozess gearbeitet haben, bei denen die Pflanzen mit Chemikalien begossen bzw. bestrahlt wurden, um genetische Mutationen zu erzwingen. Diese änderten das Genom der Pflanzen allerdings an tausenden Stellen. Erzwungene Mutation ist daher ein langer und mühsamer Prozess zur Erzeugung der gewünschten präzisen Modifikationen.

Eine andere kontroverse Methode ist die Erzeugung von transgenen Pflanzen und Tieren. Hierbei wird ein Gen von einer Pflanzen- oder Tierart in eine andere verpflanzt. Diese Methode ist der Ursprung einer hitzigen Debatte über die Sicherheit genetisch modifizierter Organismen (GMO), von Kritikern als „Frankenfoods“ (genmanipulierte Lebensmittel) bezeichnet. Beispiele hierfür sind Sojabohnen, die ein bakterielles Gen erhalten haben, um sie resistent gegen Pestizide zu machen. Landwirte können Unkrautvernichter über die Felder sprühen, ohne die GMO-Nutzpflanzen zu beschädigen. Kanadische Wissenschaftler haben sogar einen transgenen atlantischen Lachs geschaffen, der doppelt so schnell heranwächst wie normalerweise. Dazu wurden ein Gen für ein Wachstumshormon von einem Königslachs und ein Schellfisch-Gen eingefügt.

Gao weist darauf hin, dass Wissenschaftler nun einfach die CRISPR-Methode verwenden können, um eine Einheit eines spezifischen Gens, d.h. ein DNA-Basenpaar, zu ändern. Eine Transplantation von Genen anderer Arten zur Erzeugung von GMO entfalle somit. Sie fügt hinzu, dass sie selbst Genome Editing dazu benutzt habe, ein Weizengen abzuschalten, das die Pflanze für Erkrankungen anfällig mache: Der so erzeugte Stamm bleibe erkrankungsfrei.

„Die CRISPR-Methode wird in der Zukunft ein häufig angewandtes und nützliches Instrument zur Modifikation von Nutzpflanzen und -tieren sein, um neue Varianten zu züchten“, sagt Gao voraus.

USA GENEHMIGEN CRISPR-MODIFIZIERTE LEBENSMITTEL

Die kommerziellen Vorteile sind jetzt schon offensichtlich. Professor Yinong Yang, Abteilung für Pflanzenpathologie und Umweltmikrobiologie, Penn State University, University Park, Pennsylvania, benutzte die CRISPR-Methode, um einen Pilz zu schaffen, der bei Kontakt mit der Luft nicht braun wird.

Das US-amerikanische Landwirtschaftsministerium entschied, dass keine besonderen gesetzlichen Bestimmungen zu beachten sind, da es sich um einen Pilz, also nicht um eine Pflanze handelt. Damit ist dieser Pilz der erste mit CRISPR-Technologie geschaffene Organismus, der von der US-Regierung zugelassen wurde.

„Das effiziente Ersetzen von Genen in Pflanzen ist nach wie vor sehr schwierig.“

YINONG YANG Professor, Planzenpathologie und Umweltmikrobiologie, Penn State University, Pennsylvania

„Technisch gesehen ist die Landwirtschaft vielleicht das größte Einsatzgebiet für die CRISPR-Methode, da das Problem von Mutationen an falschen Stellen einfach nicht besteht“, so Yang. „Man kann einfach zurückgehen und unbeabsichtigte Mutationen entfernen.“

Yang hat ein Unternehmen gegründet, das Patente für einen CRISPR-modifizierten Reis und den Pilz angemeldet hat. Er sagt, dass die Änderung einiger weniger Basenpaare ausreiche – davon gibt es über 3.000 pro Gen – um den Bedarf der neuen Reissorte nach Wasser und Dünger zu senken.

Ein Problem im Zusammenhang mit der CRISPR-Methode ist, dass sich das Herausschneiden von Genabschnitten als viel einfacher erwiesen hat als das Einfügen neuen Genmaterials in die erzeugte Lücke. „Das effiziente Ersetzen von Genen in Pflanzen ist nach wie vor sehr schwierig“, so Yang.

Aber auch ohne Ersatz der herausgeschnittenen Gene können viele positive Änderungen realisiert werden. Laut Schätzungen einiger Wissenschaftler reicht eine Genänderung in nur 10% aller menschlichen Körperzellen aus, um eine Krankheit zu heilen.

DER WEG IN DIE ZUKUNFT

Wissenschaftler wie Laursen glauben, dass sich die CRISPR-Methode dramatisch auf die Behandlung von Krankheiten auswirken wird. Dabei geht es nicht nur um erbliche, sondern auch um bakterielle Erkrankungen, z.B. bei Antibiotika-Resistenz in Folge einer übermäßigen Anwendung. Mit der CRISPR-Methode könnte ein Virus erzeugt werden, der das Abwehrsystem der Bakterien überwältigt und die Bakterien angreift. Es ist vielleicht auch möglich, ein menschliches Gen abzuschalten, das Menschen für HIV anfälliger macht.

„DIE CRISPR-METHODE WIRD IN DER ZUKUNFT EIN HÄUFIG ANGEWANDTES UND NÜTZLICHES INSTRUMENT ZUR MODIFIKATION VON NUTZPFLANZEN UND NUTZTIEREN SEIN, UM NEUE VARIANTEN ZU ZÜCHTEN.“

CAIXIA GAO FORSCHERIN, INSTITUT FÜR GENETIK UND ENTWICKLUNGSBIOLOGIE, CHINESISCHE AKADEMIE DER WISSENSCHAFTEN

Von einer längeren Haltbarkeit für Früchte bis hin zu einem längeren Leben für Menschen – die CRISPR-Methode verspricht, die grundlegende genetische Veranlagung fast aller Pflanzen und Tieren einschließlich Menschen ändern zu können. Aktuell werden neue CRISPR-Techniken und -Variationen entwickelt, und neue Enzyme treten auf den Plan. Ob diese Änderungen positive Folgen haben oder neue Probleme hervorrufen, ist eine große Herausforderung und wird von den Wissenschaftlern und Aufsichtsbehörden aufmerksam beobachtet.

von Charles Wallace Zurück zum Seitenbeginn
von Charles Wallace

Lernen Sie mehr darüber, wie die CRISPR-Methode funktioniert:
http://3ds.one/CRISPR101