Genome Editing CRISPR/Cas: Wohin geht die Reise beim Genome Editing?

Über CRISPR/Cas und andere Verfahren des Genome Editing wird derzeit viel geredet, auch viel spekuliert. Von der Chance auf Heilung von Erbkrankheiten bis zum Designer-Baby ist die Rede. Was kann die so genannte Gen-Schere wirklich - heute und in Zukunft? Was (bislang) nicht? Hier finden Sie einige Antworten.

Wohl kaum eine molekularbiologische Methode hat in den letzten Jahren so an Fahrt aufgenommen wie das Genome Editing – und steht gleichzeitig so in der öffentlichen Diskussion. Doch was ist Genome Editing eigentlich genau? Was das viel beschriebene CRISPR/Cas9 System? Wird es künftig tatsächlich möglich sein, Krebs, Aids oder Erbkrankheiten wie Chorea Huntington durch das gezielte Editieren von Genen zu heilen oder gar Designer-Babys zu kreieren? Wem gehört das mächtige Werkzeug der Molekularbiologie eigentlich und wie ist der Stand der Technik in Deutschland und Europa?

Genome Editing und CRISPR/Cas – die Entdeckung

Im Jahr 2011 veröffentlichte Emmanuelle Charpentier einen bahnbrechenden Aufsatz im Fachjournal Nature. Darin beschrieb sie gemeinsam mit Kollegen erstmals das CRISPR/Cas System und seinen grundlegenden Mechanismus: Demnach besitzen Bakterien der Art Streptococcus pyogenes, die beim Menschen z.B. Halsentzündungen hervorrufen, eine Art „Immunsystem“, mit dem sie sich selbst gegen Angriffe durch Viren schützen.

Arbeiten zum Genome Editing ausgezeichnet

CRISPR-Cas9: Emmanuelle Charpentier erhält Nobelpreis für Chemie

Dazu fügen die Streptokokken ein Stück des fremden Erbguts in ihre eigene DNA ein. Bei einem erneuten Virenangriff erkennt das Bakterium das virale Erbgut und zerschneidet es mithilfe einer Cas (engl. CRISPR-associated System) genannten Nuklease. Es gibt verschiedene Cas-Nukleasen, Cas9 ist eine davon. Beim Erkennen der DNA-Sequenzen helfen den Bakterien so genannte Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats – kurz CRISPR.

2012 beschrieb die heutige Direktorin am Berliner Max-Planck-Institut für Infektionsbiologie Charpentier gemeinsam mit Jennifer Doudna und ihrem Team an der kalifornischen Universität Berkeley, wie sich CRISPR/Cas9 nutzen lässt, um die isolierte DNA eines Bakteriums zu zerschneiden. Das ließ die Molekularbiologie jubeln: Die so genannte Gen-Schere erlaubte nun auf einfache Weise, was vorher nur sehr zeitaufwändig und kostenintensiv und/oder fehleranfällig möglich war: Das gezielte also sequenzspezifische Umschreiben – Editieren – von Erbgut.

Wem gehört CRISPR/Cas9?

Erstaunlicherweise funktionierte diese molekulare Schere zudem nahezu gleichermaßen gut in allen Organismen. Wie sich die Methode bei höheren Lebewesen, so genannten Eukaryonten, also Pflanzen, Tieren und Menschen, anwenden lässt, veröffentlichten im Jahr 2013 Forscher um Feng Zhang vom Broad Institute of Cambridge. Beide Forschergruppen lieferten sich in der Folge einen jahrelangen Patentstreit um die Rechte an dieser Technik. Das Europäische Patentamt (EPA) vergab ein Patent an das Team Kalifornien um Charpentier und Doudna, Feng Zhang in Massachusetts erhielt 10 Patente, die nach Einspruch aus Kalifornien teilweise aufgrund eines Formfehlers aberkannt wurden.

Der erbitterte Streit ist nicht ohne Grund. Denn mit CRISPR/Cas war ein mächtiges Routine-Werkzeug der Molekularbiologie geboren, mit dem sich bald zahlreiche neue Anwendungsmöglichkeiten und Hoffnungen verknüpften. In der Pflanzen- und Tierzüchtung, der Biotechnologie und der Medizin. Letztlich geht es dabei auch um viel Geld.

CRIPR/Cas – Das Funktionsprinzip

Warum? Dazu lohnt ein kurzer Blick auf die Funktionsprinzipien des Genome Editing im Allgemeinen und des CRISPR/Cas9 Systems im Speziellen. Das Genome Editing – neben„Gen-Schere“ ist auch „Genchirurgie“ ein häufig verwendeter Begriff – umfasst verschiedene Methoden, mit denen sich an definierten Stellen einer DNA-Sequenz Mutationen einfügen lassen. Beispielsweise lassen sich auf dieser Weise einzelne Basen verändern (Punktmutation) oder aber längere Sequenzen einfügen oder entfernen. Punktmutationen verändern das Leseraster von Genen, die so z.B. gezielt ausgeschaltet werden können.

Die Basis dieser Genome-Editing-Methoden bilden sequenzspezifische Nukleasen wie Cas9 (CRISPR associated protein 9), TALEN (transcription activator-like effector nuclease) oder Zinkfinger-Nukleasen. CRISPR/Cas9 ist grob gesagt das am einfachsten herzustellende und anzuwendende System in diesem Reigen, was seinen Erfolg mit begründet. Aus folgenden Komponenten besteht das CRISPR/Cas9 System:

• Einer molekularen „Sonde“, der single guide RNA, die genau die Zielstelle für eine Mutation im Genom findet.

• Der an diesen „Lotsen“ gekoppelten so genannten Gen-Schere“ Cas9, die den DNA-Doppelstrang genau an dieser Stelle schneidet.

• Zelleigenen Reparatursystemen, die den durchtrennten DNA-Strang reparieren. Dabei machen sie jedoch meist kleine Fehler: Eine (gewollte) Mutation entsteht.

Das CRISPR/Cas-Funktionsprinzip erklärt anschaulich auch dieses Video der Max-Planck-Gesellschaft ((c) MPG):

Mögliche Anwendungen von Genome Editing – Beispiel Pflanzenzüchtung

Mutationen sind Basis jeder Evolution aber auch jeder Züchtung. Sie erzeugen genetische Vielfalt und damit die Chance, dass neue verbesserte Eigenschaften entstehen. Konventionelle Züchtungsmethoden bedienen sich Chemikalien oder radioaktiver Bestrahlung, um solche Mutationen im Genom von Pflanzenzellen zu erzeugen. Die Mutationen entstehen dabei vollkommen ungerichtet und zu Tausenden. Ob dabei einige wenige unter ihnen zu einer verbesserten Eigenschaft führen, entscheidet letztlich der Zufall.

Mit molekularem „grünen Daumen“

Live im Labor: Genome Editing als neues Werkzeug der Pflanzenzüchtung

Die konventionelle Pflanzenzüchtung benötigt etwa 7 bis 10 Generationen bis zu einer neuen Sorte. Das gezielte Einfügen von Mutationen per Genome Editing könnte diesen Prozess auf 1 bis 2 Generationen verkürzen und damit einfacher und kostengünstiger machen. Die Mutationen werden zudem gerichtet erzeugt und nicht wie bei klassischen Züchtungsverfahren nach dem initiierten Zufallsprinzip. Der Mechanismus ihrer Entstehung, der durch CRISPR/Cas9 ausgelöst wird, entspricht im weiteren Verlauf einer natürlichen Mutation, wie sie in der Natur auch spontan entstehen könnte.

Mögliche Züchtungsziele in der Pflanzenzüchtung, die sich per Genome Editing gezielter erreichen ließen, sind z.B.:

• Resistenz gegenüber Schaderregern

• Toleranz gegenüber abiotischem Stress (z.B. Hitze, Trockenheit, Salz; Stichwort Klimawandel)

• Ertragssteigerung

• Verbesserte Lebensmittelqualität

• Herbizidtoleranz

CRISPR bei Pflanzen: Was am Beispiel Weizen möglich ist, erläutert Prof. Karl-Heinz Kogel von der Uni Gießen in diesem Video ((c) transGEN):

Je nach Anwendung besitzen neben CRSIPR/Cas auch andere Genome-Editing-Methoden hohes Anwendungspotenzial. TALEN beispielsweise kommt ohne eine Nukleinsäure-Komponente aus und funktioniert nur auf Protein-Basis.

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