Der Geist aus der Flasche: Ein Quantensprung in der Gentechnik durch Genom-Editierung mit CRISPR

GFP_Mice_01Symbole der Gentechnik: Die Mäuse links und rechts sind mit dem grün fluoreszierenden Protein gentechnisch verändert. Die mittlere Maus ist ein unveränderter Wildtyp. Foto von Moen et al. 2012,  Lizenziert unter CC BY 2.0 über Wikimedia Commons


Der erste gentechnisch veränderte Organismus (GVO) wurde 1973 vor 42 Jahren erzeugt. Mittlerweile können wir Mikroorganismen zu komplexen Pharma-Fabriken umbauen, die Insulin, Antibiotika oder Opioide produzieren. Schon seid 1994 sind herbizidresistente Sojabohnen in den USA auf dem Markt und machten im Jahr 2014 82% der weltweiten Soja-Anbaufläche aus. Darüber hinaus zählen GVO-Tiere, wie die Mäuse im Foto oben, zum Standard der medizinischen Forschung. Außerdem gibt es eine Reihe eher lustiger Spielereien wie fluoreszierende Fische oder blaue Rosen. Mittlerweile gibt ein weites Spektrum etablierter gentechnischer Methoden, von denen man einige heutzutage schon in der 9. Schulklasse lernt.

Was kann es also noch sehr viel Neues in Sachen Gentechnik geben? Ist noch ein weiterer signifikanter technischer Fortschritt möglich? Ja er ist. Das zeigt das  von Jinek et al. erstmals 2012 vorgestellte gentechnische Werkzeug CRISPR („krisper“ ausgesprochen). Seit dieser Studie ist ein wahrer Sturm daran anknüpfender Projekte und Publikationen ausgebrochen. Die Studie wurde in dem relativ kurzem Zeitraum von drei Jahren satte 1156 mal zitiert (nach Google Scholar). Die Erfinderinnen des CRISPR-Werkzeugs werden übrigens zur Gruppe der Favoritinnen für den diesjährigen Chemie-Nobelpreis gezählt.

Derzeit werden die verschiedensten Anwendungsfelder erprobt und das CRISPR Tool auf eine breite Reihe von Organismen angewandt, bisher allerdings beschränkt auf den Bereich der Forschung. Das Unternehmen Editas Medicine erhielt kürzlich eine saftige Finanzspritze von 120 Millionen Dollar, um die Erforschung von CRISPR für die Medizin voranzutreiben. Mittlerweile ist ein scharfer Kampf um die Patente für CRISPR ausgebrochen und angeblich ist auch Monsanto schon dabei mit der neuen Methode zu experimentieren. Gleichzeitig werden die ethischen Implikationen dieser Technik diskutiert insbesondere im Hinblick auf gentherapeutische Maßnahmen in der Medizin.

Das gentechnische Instrument CRISPR beruht  auf dem natürlichen Immunsystem von Bakterien gegen Viren, welches schon seit den 80igern erforscht wurde. In der wegweisenden Studie von Jinek et al. wurde es klever zu einem hoch-potenten genetischen Werkzeug umgebaut, dass oft als „Genom-Editing“ bezeichnet wird.

Das Potential von CRISPR

Was ist nun das besondere an CRISPR? Was unterscheidet es von den bisherigen Techniken GVOs zu erzeugen? Diese Technik kombiniert drei entscheidende Aspekte:

  1. Sie ermöglicht eine gezielte Änderung bestimmter Gensequenzen
  2. Sie ermöglicht gleichzeitige Änderungen mehrerer Gene.
  3. Außerdem ist die Methode (relativ zu anderen Methoden) sehr einfach und sehr schnell.

Daher kommt auch die metaphorische Bezeichnung der Technik als „gene-editing“. Diese Bezeichnung soll zum Ausdruck bringen, dass man dadurch Genome ähnlich einfach „editieren“ kann wie (digitale) Dokumente oder Datenbanken.

Andere gentechnische Werkzeuge, wie Zinkfingernukleasen ermöglichen auch die gezielte Manipulation des Erbgutes sind aber viel aufwendiger zu erzeugen. Zinkfingernukleasen erkennen spezifische Sequenzen und schneiden diese dann enzymatisch. Deshalb müssen Zinkfinger-Proteine für jedes Zielgen, das verändert werden soll, angepasst werden. Aber Proteine zu entwickeln, die gezielt bestimmte Sequenzen erkennen ist ein sehr aufwendiges Verfahren.

Im Gegensatz dazu besteht das CRISPR System (dessen vollständiger Name eigentlich CRISPR/Cas9 lautet) aus einem Protein, der Cas9 Nuklease, welche das Zielgen schneidet und einer „guide RNA“, die das Protein zum Zielgen führt. RNAs lassen sich im Labor wesentlich leichter erzeugen als Proteine. Außerdem lassen sich zusammen mit dem Cas9 viele verschiedene guide RNAs in die zu manipulierenden Zellen einschleusen, so dass viele genetische Modifikationen gleichzeitig ausgeführt werden können (Multiplexing). Nachdem CRIPSR/Cas eine oder mehrere Zielregion in der DNA geschnitten hat, sorgen zelleigene DNA-Reperaturmechanismen dafür, dass die freien DNA Enden wieder verbunden werden und bei Bedarf neue Gene eingeführt werden.

Mehr technische Details könnt ihr z.B. in dem schönen Artikel „Genome Surgery“ vom MIT Technologe Review nachlesen. In dem video unten wird der Prozess des Genome-Editing auch nochmal anschaulich dargestellt.

Ein neuer GVO Zoo: von Mäusen, Mammuts, und…

Die MIT Forscher Rudolf Jaenisch und Feng Zhang berichten, dass sie mit den herkömmlichen Techniken ein Jahr brauchten, um eine gezielte genetische Veränderung in einer Maus zu erzeugen. Mit dem CRISPR System schaffen sie ihren Angaben nach nun mehrere genetische Änderungen in drei Wochen (Wang et al. 2013).

Ein anderes Beispiel ist die Konstruktion eines Weizens, der resistent ist gegen einen Schimmelpilz, der zu massiven Ernteausfällen führen kann. Weizen ist besonders schwer gentechnisch zu manipulieren, da er hexaploid ist. Um einen reinen GVO zu bekommen, der keine Wildtyp-Gene mehr trägt, sondern nur die modifizierten Gene müssen immer mehrere Gene modifiziert werden. Dies ist nun in einem chinesischen Labor gelungen: durch das gleichzeitige Ausschalten dreier Gene, konnte ein Schimmelpilz-resistenter Weizen erzeugt werden.

Ein etwas kurioseres Beispiel ist das Projekt von Church den asiatischen Elefanten mit Hilfe von CRISPR in einen Mammut umzuwandeln.

…Menschen: CRISPR in der medizinischen Forschung und Gentherapie

Besonders vielversprechend, ist das Anwendungsfeld der Medizin. CRISPR ist deswegen so vielversprechend in der Medizin, weil den meisten Krankheiten mehrere Gendefekte zu Grunde liegen. Dies erfordert in der Erforschung von Krankheitsursachen in menschlichen Zelllinien oder im Tiermodell und in der potentiellen Gentherapie die Manipulation mehre Gene gleichzeitig.

Bei der somatischen Gentherapie werden einem Erwachsenen, der z.B. an Blutkrebs erkrankt ist, Blutstammzellen entnommen. Dann könnte der zugrunde liegende genetische Defekt durch CRSPR korrigiert und die Stammzellen dem Patienten wieder injiziert werden. Die Genetische Veränderung wird nicht auf die Kinder des Patienten übertragen. Der zweite Ansatz, die Gentherapie in der menschlichen Keimbahn ist weitreichender. Hier wird in der Keimbahn des Menschen eingegriffen, um genetische Defekte bei ungeborenem Leben zu beseitigen oder im anderen Fall sogar um Leben zu optimieren. Diese Modifikationen werden an die Kinder vererbt.

Ein Forscherteam der Sun Yat-Sen University in Guangzhou hat vor kurzem CRISPR bei menschlichen Embryonen eingesetzt. Verwendet wurden, so die Autoren, nur nicht lebensfähige Embryonen. Ihr Ergebnis war, das zum jetzigen Zeitpunkt die Technik nicht ausgereift genug ist, um sie in der menschlichen Keimbahn einzusetzen.

Eine Gruppe von Biotechunternehmern hat zu einem Moratorium der  Verwendung von CRISPR in der menschlichen Keimbahn aufgerufen. Sie plädieren nur für einen Einsatz zur Modifikation von somatischen Zellen z.B. zur Therapie von Aids. Solche Änderungen werden nicht an die Kinder der Patienten weitergegeben. Die Vertreter dieser Gruppe sind in Unternehmen involviert, die an der Vermarktung somatischer Gentherapie arbeiten und diese durch die negative Rezeption der Keimbahntherapie in der Öffentlichkeit gefährdet sehen.

Im Gegensatz dazu befürwortet eine Gruppe von Forschern eine Fortführung von Experimenten an der Menschlichen Keimbahn, um das Potential dieser Technik weiter zu untersuchen (Baltimore et al. 2015).

Zwischen Hype, Skepsis und Neugier

So verlockend das „Genome-Editing“ für viele Forscher, Investoren oder auch Patienten sein mag. So einfach wie man einen Text editiert, lässt sich das Genom nicht umschreiben. Ein Problem ist zur Zeit noch, dass es unter Umständen auch mal das falsche Gen trifft, das verändert wird (dies wird als „off target“ Nukleaseaktivität bezeichnet). Außerdem ist die Zahl gleichzeitiger genetischer Änderungen mit fünf Genen noch relativ gering.

Der CRISPR-Hype spiegelt Aspekte amerikanischer Kultur: starker Optimismus, Technikbegeisterung, Selbstdarstellung, aber eben auch Innovationskraft und Kreativität. Was mit einer neuen Technik möglich wird, hängt auch ab von der Investition, die in sie gemacht wird und damit verbunden an den Glauben an das Potential der Technik. Das ist die wohl bekannte sich selbsterfüllende Prophezeiung. Ich komme nicht drumherum dem eine gewisse „europäische Skepsis“ entgegenzubringen. Trotzdem stehe ich der neuen Technologie mit viel Neugierde gegenüber und bin optimistisch, dass sich einige tolle Anwendungsbereiche finden lassen. Aber nach einer erst sehr kurzen Einarbeitungszeit in dieses Thema möchte ich mir jetzt keine abschließende Meinung bilden. Dies ist wohl beim derzeitigen Stand der Forschung auch schwer möglich. Für Modifikationen an der Keimbahn des Menschen kann ich mir allerdings schwer vorstellen, dass sich für mich Gründe finden lassen, diese Grenze zu überschreiten.

Eine weitere Sorge von mir ist, dass die Medizin zwar immer weiter voranschreitet aber nur eine kleine Elite davon profitiert. Deshalb würde ich mir wünschen, dass Ergebnisse öffentlich finanzierter Forschung auch öffentliches Gut sind an dem private Unternehmen beteiligt werden, aber keinen Alleinanspruch, z.B. durch exklusive Patente, haben dürfen.

In diesem Video erklärt Jennifer Doudna nochmal etwas detaillierter die Grundlagen der CRISPR/Cas9 Technologie:

Literatur

Baltimore, B. D., Berg, P., Botchan, M., Carroll, D., Charo, R. A., Church, G., … & Yamamoto, K. R. (2015). A prudent path forward for genomic engineering and germline gene modification. Science348(6230), 36-38.

Jinek, M., K. Chylinski, I. Fonfara, M. Hauer, J. A. Doudna, E. Charpentier. 2012. A programmable dual-RNA-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity. Science 337/6096: 816-821.

Moen, I., Jevne, C., Wang, J., Kalland, K. H., Chekenya, M., Akslen, L. A., … & Stuhr, L. E. (2012). Gene expression in tumor cells and stroma in dsRed 4T1 tumors in eGFP-expressing mice with and without enhanced oxygenation. BMC cancer12(1), 21.

Wang, H., Yang, H., Shivalila, C. S., Dawlaty, M. M., Cheng, A. W., Zhang, F., & Jaenisch, R. (2013). One-step generation of mice carrying mutations in multiple genes by CRISPR/Cas-mediated genome engineering. Cell153(4), 910-918.

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5 Gedanken zu „Der Geist aus der Flasche: Ein Quantensprung in der Gentechnik durch Genom-Editierung mit CRISPR

  1. zielonygrzyb

    Eine weitere Sorge von mir ist, dass die Medizin zwar immer weiter voranschreitet aber nur eine kleine Elite davon profitiert.

    Als Ökonom würde ich hinzufügen, dass wir gerade im Bereich der Medizin mit stark sinkendem Grenznutzen zu tun haben – die heutigen medizinischen Fortschritte sind meist sehr klein (ein zusätzliches Lebensjahr hier, etwas bessere Gesundheit da), aber gleichzeitig sehr ressourcenaufwendig. Da fragt man sich, ob man diese Ressourcen nicht sinnhafterweise woanders einsetzen sollte. Dies ist aber in unserer Gesellschaft eine schwierige Diskussion, vor allem wenn man sie beim Namen benennt – Priorisierung im Gesundheitswesen -, weil hierzulande Gesundheit als etwas wahrgenommen wird, was „keinen Preis“ hat. Falls man jemandes Gesundheit verbessern kann, sollte man das. Dabei wird oft übersehen, dass Gesundheitsverbesserungen es nicht umsonst gibt, und sie somit im Konflikt mit anderen nicht minder wichtigen Bedürfnissen stehen.

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    1. Johannes Timaeus Autor

      Das scheint logisch für das Mittel der Bevölkerung (Wenn ich das richtig verstehe). Aber für bestimmte Patientengruppen könnte der Zuwachs an Gesundheit schon recht ordentlich sein. Ich muss ehrlich sagen, das ich die tatsächlichen auch ökonomischen Konsequenzen nicht wirklich verstehe oder absehen kann

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