CRISPR/cas9 – Eine neue Methode revolutioniert die Forschung

Veröffentlicht von: Progress Austria am Donnerstag, April 06, 2017

Autorin: Franziska Feyrer

Studium Biologie und Chemie,  

NAWI Technische Universität Graz & Karl-Franzens Universität Graz



CRISPR/cas9 – ein hocheffektives Werkzeug im Dienste der Genmanipulation -  hat sich innerhalb der letzten zwei Jahre als möglicher ultimativer Durchbruch in  der Erforschung der Ursachen von genetischen Krankheiten erwiesen.

Zielgenaue Erfolge in der Züchtung einer robusteren Rapsart, bis hin zu Veränderungen der genetischen Anlagen menschlicher Embryos suggerieren eine verbesserte, genetisch normierte Welt – in absehbarer Zeit. 


Hinter dem sperrigen Namen der CRISPR-Methode steckt ein biochemischer Vorgang, der es erlaubt, ganz einfach und zielgerichtet einzelne Gene zu verändern und umzuschreiben, das sogenannte Genome Editing. Diese Methode ist nicht neu – sie wurde bereits vor über 40 Jahren in der Virologie entdeckt, woraus man die „Genscheren“ entwickelte, sogenannte Designerenzyme, was ein aufwendiges und teures Verfahren darstellte und eine monatelange Wartezeit in Anspruch nahm. Das hat sich durch die Entdeckung von CRISPR/cas9 nun aber geändert, die neue „Genschere“ lässt sich in wenigen Stunden herstellen. Begonnen hat die Welle der Euphorie in Universitäten und Laboren weltweit mit der Erforschung des Immunsystems von Bakterien. Auch Bakterien werden von Viren, den Bakteriophagen, befallen, welche ihre DNS in die Bakterien einschleusen und nur so zur Vermehrung gelangen können. Mit einem geeigneten Rezeptor docken die Bakteriophagen mit der Schwanzspitze an der Oberfläche der Bakterien an, lösen diese Stelle enzymatisch auf und nach Penetration des Schwanzstiftes injizieren sie ihre DNS durch diesen in das Bakterium, der Kopfteil des Phagenpartikels bleibt nach der Injektion sichtlich leer, aber mit den für die Phagenhülle spezifischen Proteinen zurück. Für die Neusynthese der Viren ist nur die in das Bakterium injizierte DNS von Bedeutung, nicht die Phagenhülle. 

Zur Vermehrung wird nun ein Teil des Syntheseapparates der Bakterienzelle genutzt, wodurch ihre eigenen Möglichkeiten, diese Syntheseketten in ihrem Interesse zu nutzen, beispielsweise zum Wachstum, weitgehend zum Erliegen kommen. 

Die hohe Wirtspezifität der Bakteriophagen machen sich die Bakterien nun durch die CRISPR-Methode zunutze, indem sie die eingeschleuste, zunächst fremde DNA in ihr Erbgut einbauen. Sie prägen sich somit den Erreger ein und erlangen so eine Immunität gegen die Angreifer. Enzyme schneiden einen Teil der Viren-DNS heraus und bauen es in die der Bakterien ein – an eine ganz bestimmte Stelle, den CRISPR-Abschnitt, eine Abkürzung für Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, also kurze DNA-Abschnitte, welche sich regelmäßig palindromisch wiederholen. Die Zelle übersetzt diese dann in ein RNA-Molekül, die CRISPR-RNA, kurz crRNA. Die crRNA enthält nun Informationen des Virus und des Bakteriums. 

Gemeinsam mit der Tracer-RNA bindet sie nun an ein bestimmtes cas-Enzym, das cas9. Ab jetzt schützt das cas9-Protein die Zelle vor einem erfolgreichen Befall der Viren, denn seine crRNA kann an die entsprechende Stelle der Virus-DNA binden. Daraufhin zerschneidet das cas9-Protein den DNAStrang des Virus und macht ihn so unfähig, sich des Bakteriums als Wirt zu bedienen und damit unschädlich für den Organismus.

Die Entdeckung, dass sich die Tracer- und CRISPR-RNA zu einem Molekül fusionieren lassen, und somit gemeinsam an das cas9-Protein binden, revolutioniert die Genforschung, denn somit können es Wissenschafter leichter herstellen und man kann die fusionierte RNA-Sequenz variieren. Durch diesen Eingriff lässt sich bestimmen, wo das Enzym die DNA schneidet, so kann man an den Schnittstellen der DNA ganz gezielt Gensequenzen ausschalten. Zwar versucht die Zelle, die losen Enden wieder zu komplettieren, wie sie das bei jeder natürlichen Mutation versucht, doch gelingt ihr das nicht immer fehlerfrei, weshalb das Gen nicht mehr abgelesen werden kann. Es können auch komplette Gene ausgetauscht werden. Diese Methode ist preiswerter und effizienter als alle bisher bekannten Verfahren. Die Entdeckung, das CRISPR-Verfahren durch das Enzym cas9 für die Genmodifikation brauchbar zu machen, haben wir dem Team rund um Emmanuelle Charpentier zu verdanken, eine französische Mikrobiologin, Genetikerin und Biochemikerin, welche mit dem Erreger der Mandelentzündung, Streptococcus pyogenes, gearbeitet hat und ihm das Geheimnis der CRISPR-cas9-Methode entlockt hat. Für allein diesen Erfolg im Bereich der Regulationsmechanismen, der Infektionsprozessen und Immunität von pathogenen Bakterien hat man sie bereits mit 18 Auszeichnungen geehrt, an vielen Orten auf der Welt blickt ihr Gesicht von rießigen Plakaten. Bisher waren die Verfahren um Genmanipulation eher ungenau und teuer, somit hatten Eingriffe nur zufällige Folgen und rentierten sich nur bei Massenprodukten wie Mais-, oder Sojapflanzen. Ein programmiertes cas-Molekül findet jedoch zielgenau den Ort, an den es hin soll. So hat man bereits eine robustere Rapsart entwickelt, Hunden mehr Muskelmasse angezüchtet und hofft auf erneuerbare Biokraftstoffe, ertragreichere Pflanzen oder Tiere mit anderen Nutzeigenschaften. 

Nicht nur die Biotechnologie, auch die Medizin setzt große Hoffnungen in die neue Entdeckung. Die neue „Genschere“ verspricht das perfekte Handwerkszeug zu sein. Man versucht mit der neuen Methode Wirkstoffe zu finden, „mit denen man Gendefekte korrigieren kann, langfristig denkt man daran, krankhafte Zellen gegen korrigierte Zellen auszutauschen“, bis dahin sei es aber noch ein weiter Weg, betont der Stammzellenforscher Ulrich Martin von der Medizinischen Hochschule in Hannover. 

Einer der vielen von CRISPR/cas9 beeinflussten Forschungsansätze des letzten Jahres findet sich in der Bekämpfung von Tumorzellen. Man versucht, die T-Zellen, welche Tumorzellen bekämpfen, genetisch umzuprogrammieren, damit sie die bösartigen Zellen erkennen. Erste Erfolge in der Bekämpfung von Tumorzellen mittels programmierter CRISPR-cas9-Enzyme gibt es bereits, allerdings nicht nachhaltig, bei schwarzem Hautkrebs.

Vielversprechend ist aber auch  noch ein anderer Einsatzbereich  der „Genschere“ in der somatischen Zelltherapie für die Suche nach einem Mittel gegen Krankheiten,  die man bisher nicht heilen konnte. Es gibt einen Personenkreis, der gegen das Humane Immundefizienz-Virus (HIV) eine natürliche Resistenz hat. Bei diesen Personen fehlt die spezifische Eintrittspforte in der Zellwand, die das Virus benötigt um in die Zelle eindringen zu können. Es wird nun daran geforscht, in den Blustammzellen der mit HIV infizieren Patienten eben diese Eintrittspforte auszuschalten und diese Zellen dem Patienten zurückführen zu können, sodass die Infektion überwunden werden kann. 

Gelänge dieses Vorhaben, wäre eine Behandlung und Heilung von Patienten mit dieser Infektion denkbar, aber in weiter Ferne, erklärt der Schweizer Molekularbiologe Toni Cathomen vom Universitätsklinikum Freiburg, an dem zurzeit mit ungefähr einer Million solcher manipulierter Zellen gearbeitet wird. Ginge man Richtung Patientenbehandlung, müsse man mit drei Millionen dieser Zellen rechnen – und das pro Kilogramm Körpergewicht. Bei einem 80 Kilogramm schweren Patienten wären das um die 240 Millionen veränderter Zellen, damit ein therapeutischer Effekt erzielt werden kann. Stammzellen sind die Körperzellen, die für die Entwicklung bestimmter Gewebe zuständig sind. Man versucht seit Jahren, Leukämiepatienten dadurch zu heilen, dass ihnen gesunde Stammzellen von anderen Menschen transplantiert werden. Bisher sind die Abstoßungsprobleme von körperfremden Zellen aber groß, dieses Problem könnte man mit der CRISPR/cas9-Methode umgehen. Man forscht daran, körpereigene Zellen genetisch zu verändern und dem Körper nach dem Eingriff die gesunden Zellen zurückzugeben.
Am 1. Februar 2016 wurde um 12:21 Uhr folgende Meldung verbreitet: Die britische Aufsichtsbehörde für Gesundheit hat erlaubt, die Erbanlagen von menschlichen Embryonen gentechnisch zu verändern. Cathy Naikan vom Francis Crick Institut in London erklärt in einem Interview mit dem britischen Sender BBC, man wolle herausfinden, welche Gene essentiell wichtig sind für die Entwicklung im Frühstadium eines Embryos, man bekomme damit Einsicht in die Ursachen von Unfruchtbarkeit oder Fehlgeburten. Trotz dieser harmlos klingenden Begründung zu der Keimbahnforschung war der Aufschrei in der Öffentlichkeit sowie in Forschungseinrichtungen groß, denn die CRISPR-cas9-Methode hat das Potential, durch den irreversiblen Eingriff in das Erbgut die menschliche Spezies durch Weitervererbung nachhaltig zu verändern.

Die Kritik vieler Wissenschafter lautet, die Auswirkungen solcher Eingriffe nicht genau zu kennen und auch die Technologie hinter der Methode noch nicht genau genug erforscht zu haben. Selbst wenn viele Forscher von der Entdeckung begeistert sind, bleibt die Sorge, ob die „Genschere“ nur einmal und nur dort schneidet, wo sie soll. Es besteht ein sogenanntes „Off-Target-Risiko“, das bedeutet, das Protein könnte an der falschen Stelle schneiden und zum Beispiel das Entstehen einer Tumorzelle auslösen. 

Damit sind die Folgen, die ein Eingriff in die Keimbahn haben kann, unüberschaubar, und somit das Züchten von beispielsweise garantiert gesunden „Designerbabys“ noch nicht diskutierbar. Anfang letzten Jahres fand in Washington der International Summit on Human Editing statt, zu dem die National Academy of Sciences und die National Academy of Medicine, die chinesische Academy of Sciences und die britische Royal Society luden. Man diskutierte die neuen Möglichkeiten, die sich durch die CRISPR/cas9-Methode ergeben und kam nach einer dreitägigen Debatte zu folgendem Entschluss: „Die Veränderung embryonaler Stammzellen solle sich nur auf die vorklinische Forschung beschränken, mit den veränderten Embryonen dürfe keine Schwangerschaft hergestellt werden.“ Die Embryos werden nach den Forschungszwecken nach etwa einer Woche vernichtet. Es ist zu befürchten, dass sich nicht alle an die Selbstbeschränkung des Washingtoner Abkommens halten werden, und damit Forscher in Zukunft nicht selbst bestimmen können, was sie mittels CRISPR/cas9 verändern und weitervererben wollen, sollte es genaue gesetzliche Bestimmungen geben. 

Mit der CRISPR/cas9-Methode könnten gestern noch belächelte Zukunftsvisionen morgen schon Realität und Alltag werden, was eine große Verantwortung für die Forschung mit sich bringt. Es bleibt mit Spannung zu erwarten, wann und in welchem Ausmaß diese Entdeckung unsere Welt verändert.



Quellennachweis:
http://www.transgen.de/forschung/2564.crispr-genome-editing-pflanzen.html 
http://www.spektrum.de/news/gentechnik-crispr-erleichtert-die-manipulation/1351915
http://www.zeit.de/2016/27/emmanuelle-charpentier-crispr-gentechnik
http://www.transgen.de/lexikon/1845.crispr-cas.html
http://cdn-storage.br.de/iLCpbHJGNL9zu6i6NL97bmWH_-by/_-OS/9ArH5y8g/020cc6d1-282e-4bc8-8ccc-a308aa1e6dc9_3.mp3  
Fritz Kaudewitz: Molekular- und Mikrobengenetik, Springer-Verlag, 1973, S. 9-14. 

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