CRISPR/Cas

Der Kampf ums Überleben

Nicht nur wir Menschen, sondern auch Bakterien und Pflanzen können sich eine Virusinfektion zuziehen. Während wir unser Immunsystem zur Verteidigung nutzen, haben Bakterien einen ähnlich intelligenten Mechanismus entwickelt, um sich zu verteidigen, damit sie im Kampf zwischen Bakterien und Viren als Sieger hervorgehen. Dabei bauen Bakterien Teile der Virus-Sequenzen in ihr eigenes ein. Diese Sequenzen werden als CRISPR bezeichnet, was für Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats steht. Die CRISPR-Sequenzen dienen den Bakterien als Erkennungssignal, um einen erneuten Angriff der Viren zu vereiteln. Versuchen dieselben Viren das Bakterium erneut anzugreifen, wird ein CRISPR/Cas-Komplex aus RNA-Molekülen – das sind kurze Kopien des Erbguts – und Cas-Proteinen gebildet und der Angreifer zerstört. Cas-Proteine dienen in diesem Kampf als molekulare Scheren.

Eine grosse Entdeckung

Martin Jinek ist Professor am Biochemischen Institut der Universität Zürich und war Postdoktorand im Labor von Jennifer Doudna, welche im Jahr 2012 zusammen mit Emmanuelle Charpentier die Nutzbarkeit des CRISPR/Cas-Komplexes für gentechnologische Zwecke aufdeckten. Als die Forscher realisierten, dass Cas9 DNA spezifisch schneidet und dieser Prozess von aussen beeinflusst werden kann, wussten sie, dass sie eine bahnbrechende Entdeckung gemacht hatten. Es besteht zwar schon seit über 20 Jahren die Möglichkeit, Erbgut gezielt zu verändern, bisherige Methoden (wie Zink-Finger- oder TALEN-Nukleasen) sind jedoch sehr teuer und aufwändig. Um beispielsweise ein Gen mit CRISPR/Cas in der Maus auszuschalten, benötigt man heute wenige Wochen. Früher dauerte dieser Prozess mehrere Monate.

CRISPR im Einsatz

Um ein Gen mit CRISPR/Cas9 gezielt zu verändern, wird ein mindestens 18 Basen langes RNA-Stück, passend (komplementär) zu der Stelle im Erbgut, welche man schneiden möchte, mit Hilfe eines Computers designt und später synthetisiert. Diese sogenannte Guide-RNA bildet zusammen mit dem Protein Cas9 eine molekulare Schere, welche das Erbgut an der gewünschten Stelle schneidet. Dadurch entsteht ein Doppelstrangbruch und damit ein beabsichtigter Schaden im Genom, welcher repariert werden muss. In menschlichen Zellen existieren zwei verschiedene Reparaturmechanismen. Je nachdem, welche Veränderung man am Erbgut vornehmen möchte, kann man sich den einen (homologe Rekombination) oder anderen (nichthomologe Rekombination) Mechanismus zunutze machen. Auf diese Weise können entweder Gene ausgeschaltet oder neue Sequenzen in das Erbgut eingebracht werden. Zudem können Fehler oder Mutationen im Erbgut korrigiert werden, indem die fehlerhafte Sequenz ausgetauscht wird.

Krankheiten verstehen und heilen

Die neue Technik ist unglaublich erfolgreich und findet heute eine breite Anwendung in der Grundlagen-, aber auch anwendungsbezogenen Forschung sowie in der Biotechnologie, beispielsweise in der Herstellung von Biokraftstoffen, Biomaterialien oder Arzneimitteln mit Hilfe gentechnisch modifizierter Mikroorganismen. In der Forschung hilft CRISPR/Cas etwa Volkskrankheiten wie Diabetes, Herz-Kreislauf-Erkrankungen oder Alzheimer, welche auf zahlreiche Veränderungen in unserem Genom zurückzuführen sind, besser zu verstehen. Zum ersten Mal ist es möglich, gezielt alle diese Veränderungen gleichzeitig in Zellkulturen oder im Tiermodell zu erzeugen, um dann therapeutische Ansätze zu finden. Mit bisherigen Methoden konnten nur einzelne bzw. wenige Gene abgeschaltet oder verändert werden. Um Gene entsprechend zu verändern, muss man zuerst verstehen, welche Mutationen für die Entwicklung einer Erbkrankheit eine Rolle spielen.

CRISPR/Cas ist auch für die Industrie interessant. So wurden bereits mehrere Start-up-Firmen gegründet, welche sich auf gentherapeutische Ansätze oder die Verbesserung von Krebstherapien spezialisiert haben.

CRISPR-veränderte Organismen sind keine GVO – oder doch?

CRISPR hat auch den Einzug in die Pflanzenwissenschaften geschafft. Eine Forschergruppe in China nutzte CRISPR/Cas bereits zur Herstellung von Mehltau-resistentem Weizen. Solche Anwendungen waren bisher nicht möglich, weil das Weizengenom sehr komplex ist. Im Gegensatz zum menschlichen Genom, welches einen diploiden Chromosomensatz trägt, besitzt Weizen einen hexaploiden Chromosomensatz. Dies bedeutet, dass das gleiche Gen sechsmal vorkommt und daher auch sechsmal ausgeschaltet werden muss. Weitere Studien, um natürliche Resistenzen in Grundnahrungsmitteln wie Reis und Maniok zu etablieren, sind am Laufen.    

Interessanterweise unterscheiden sich mit CRISPR/Cas veränderte Pflanzen nicht von auf natürlichem Weg oder durch Mutagenese erzeugte Arten, sofern Gene eingebracht oder Mutationen angepasst werden, welche auch natürlich vorkommen. Ein Nachweis, auf welchem Weg eine Nutzpflanze hergestellt wurde, ist in diesem Fall im Nachhinein nicht möglich, da sich das Ergebnis nicht von herkömmlichen Züchtungsmethoden unterscheidet. Die EU-Kommission wird daher entscheiden, in welchen Fällen Gen-editierte Pflanzen als gentechnisch veränderte Organismen gelten oder nicht.

Therapie der Zukunft

Noch ist CRISPR/Cas nicht perfekt. Es kann vorkommen, dass das System Stellen im Erbgut schneidet, welche nicht geschnitten werden sollen. Diese nennt man Off-Target-Effekte. Viele Labore arbeiten derzeit an diesem Problem und versuchen die Methode spezifischer zu machen. Deutliche Verbesserungen konnten bereits mit einer künstlich hergestellten Variante des Cas9-Proteins erzielt werden. Neben den Off-Target-Effekten muss die Effizienz – zumindest für gentherapeutische Ansätze – gesteigert werden. Denn CRISPR/Cas schneidet nicht in allen Zellen gleich gut und daher trägt nur ein Teil der Zellen tatsächlich die gewünschte Änderung. Für sogenannte Ex-vivo-Behandlungen spielt dies jedoch keine Rolle. Hier entnimmt man Patienten Zellen, behandelt diese mit CRISPR/Cas in einer Kulturschale ausserhalb des Körpers und trennt die Zellen, welche die gewünschte Veränderung tragen, von nicht veränderten Zellen. Die ausgewählten Zellen werden daraufhin expandiert und dann wieder in den Körper injiziert, man spricht von autologer Transplantation. Solche Therapien wären in Zukunft bei Blutkrankheiten wie zum Beispiel der Hämophilie denkbar. Eine erste Klinische-Phase-I- Studie in diesem Bereich ist bereits in den nächsten zwei Jahren geplant.

CRISPR wird die Medizin der Zukunft revolutionieren. In der Grundlagenforschung findet die Revolution bereits statt. Seit der Publikation von Jinek et al. im Jahr 2012 ist die Zahl wissenschaftlicher Publikationen und Patente exponentiell angestiegen.