Weiterentwicklungen der Genschere CRISPR-Cas9 Schöner schneiden

Fehlerhafte Bereiche im Erbgut austauschen? Mit der Genschere CRISPR-Cas9 eigentlich kein Problem. Allerdings war das Werkzeug bisher manchmal unpräzise. Nun sollen gleich zwei neue Ansätze das Problem lösen.

Betrachter mit DNA-Modell
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Betrachter mit DNA-Modell


Eigentlich dient die Genschere CRISPR-Cas9 Bakterien zur Abwehr von Angreifern wie etwa Viren, die ihr Erbgut in die DNA einbauen. Inzwischen arbeiten aber auch Tausende Forscher mit dem Werkzeug, das Gensequenzen zerschneiden, ausschalten oder durch andere ersetzen kann - bei Viren, Pflanzen, Tieren und auch beim Menschen.

Die Wissenschaftler nutzen CRISPR-Cas9 als eine Art Wunderwaffe, um fehlerhafte Bereiche in der DNA - sogenannte Mutationen - gezielt anzusteuern und zu korrigieren. Allerdings hat sich gezeigt, dass die Schere nicht so präzise arbeitet wie zunächst erhofft und etwa auch an unerwünschten Stellen DNA schneidet.

Nun stellen zwei Arbeitsgruppen des Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge zwei Weiterentwicklungen der Genschere vor. Die eine Gruppe präsentiert im Fachblatt "Nature" ein Werkzeug, mit dem sich ein sogenanntes Basenpaar - bestehend aus zwei DNA-Bausteinen - gegen ein anderes austauschen lässt. Die zweite Gruppe beschreibt im Magazin "Science" ein anderes Werkzeug, das die RNA - sie übermittelt DNA-Informationen für den Bau von Proteinen - gezielt verändern kann. Beide sollen die Möglichkeit eröffnen, eines Tages krankmachende Fehler im Erbgut zu reparieren.

Das Grundgerüst der DNA ist aus simplen Bausteinen aufgebaut: Es handelt sich um die Basen Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T). Sie treten im DNA-Doppelstrang stets in Paaren auf - Adenin paart sich mit Thymin (A-T) und Guanin mit Cytosin (G-C). Einige Krankheiten beruhen auf dem Austausch einzelner Basen, sogenannten Punktmutationen.

Mit der herkömmlichen CRISPR-Cas-Technik ließen sich solche Punktmutationen nicht zuverlässig korrigieren. Das liegt daran, dass die Genschere den DNA-Doppelstrang durchschneidet. Wenn die zelleigenen Reparatursysteme den Bruch schließen, treten häufig Fehler auf.

Im vergangenen Jahr stellten die Forscher um David Liu bereits eine Weiterentwicklung der Genschere vor, die den DNA-Doppelstrang nicht schneidet, sondern einzelne Basen austauscht. Allerdings ließen sich bisher nur G-C-Paare in A-T-Paare umwandeln. Nun ist den Wissenschaftlern auch die Umwandlung eines A-T-Paares in ein G-C-Paar gelungen.

Das Ganze funktioniert so: Das neue Werkzeug sucht wie die herkömmliche Genschere gezielt zuvor festgelegte Bereiche der DNA auf. Allerdings ist die eigentliche Schere deaktiviert, sodass kein Doppelstrangbruch erzeugt wird. Stattdessen koppelten die Forscher ein Enzym an die Genschere, das die angesteuerte Base chemisch so verändert, dass ein A-T-Paar in ein G-C-Paar umgewandelt wird.

"Das ist eine sehr interessante Arbeit und ein guter Schritt nach vorn", urteilt Frank Buchholz, Leiter der Abteilung für Medizinische Systembiologie an der TU Dresden. Die Anwendungsmöglichkeiten der Genschere würden "massiv ausgeweitet".

"Krankheiten behandeln in fast allen Zellarten"

Die MIT-Wissenschaftler testeten das Werkzeug in menschlichen Zellen und fanden, dass es mit hoher Präzision in etwa 50 Prozent der Fälle eine Korrektur einer Punktmutation ermöglicht. Nur sehr selten traten dabei unerwünschte Veränderungen auf.

Die Effizienz von 50 Prozent sei auch im Hinblick auf eine mögliche therapeutische Anwendung ein guter Wert, sagt Buchholz: "Bei vielen Erbkrankheiten wäre das ausreichend. Patienten mit der Bluterkrankheit etwa würden schon enorm profitieren, wenn die zugrundeliegende Mutation in zehn Prozent ihrer Zellen korrigiert würde."

So funktioniert CRISPR-Cas9

Das Team um Liu testete das Potenzial ihres Basen-Editors in Zellversuchen. Sie korrigierten etwa in menschlichen Zellen eine Mutation, die eine Erbkrankheit verursacht, die sogenannte Hereditäre Hämochromatose. Zudem brachten sie eine Mutation in Zellen ein, die vor bestimmten Blutkrankheiten schützt.

In "Science" stellt eine MIT-Gruppe um Feng Zhang eine weitere Abwandlung von CRISPR-Cas9 vor, um gezielt die RNA zu verändern. Diese Boten-RNA (mRNA) leitet die in der DNA gespeicherten Informationen zum Bau von Proteinen weiter an die Eiweißfabriken der Zelle, die Ribosomen. Veränderungen der RNA haben - im Gegensatz zur DNA - den Vorteil, dass sie das Erbgut nicht dauerhaft umwandeln.

Das Team um Zhang wählte das Enzym Cas13b von Prevotella-Bakterien aus, das zu jeder beliebigen RNA-Sequenz geleitet werden kann. Eine Variante davon koppelten sie an das Enzym ADAR2 (Adenosine Deaminase Acting on RNA), das so den RNA-Baustein Adenosin umbaut. Damit könne man Punktmutationen beheben, die beim Menschen etliche Erbkrankheiten oder Tumore auslösen können.

"Bisher konnten wir Gene ziemlich gut inaktivieren, aber eine verlorene Proteinfunktion wiederzuerlangen, ist wesentlich anspruchsvoller", beschreibt Zhang. "Die neue Fähigkeit, RNA zu editieren, eröffnet mehr Möglichkeiten, jene Funktion wiederzugewinnen und viele Krankheiten zu behandeln, in fast allen Zellarten."

Problem: Off-Target-Effekte

Dass das Verfahren grundsätzlich funktioniert, zeigte das Team im Labor an menschlichen Zellen, die Mutationen für die seltene Erbkrankheit Fanconi-Anämie sowie für eine Form von Diabetes insipidus trugen: Mit dem Verfahren korrigierten sie diese in etwa 20 bis 40 Prozent aller anvisierten RNA-Moleküle.

Ein großes Problem ist aber, dass auch andere RNA-Bausteine als die anvisierten umgewandelt werden. In der ersten Version des Werkzeugs zählten die Forscher noch mehr als 18.000 solcher Off-Target-Effekte, bei der Nachfolgerversion waren es nur noch 20.

In diesen Off-Target-Effekten sieht Rolf Marschalek vom Institut für Pharmazeutische Biologie der Universität Frankfurt am Main aber eine Schwäche: "Die Forscher haben nur einen Bruchteil der gebildeten RNA wirklich untersucht, insgesamt könnte es viel mehr solche Effekte geben", sagt er. "Für einen Einsatz an Menschen müsste man solche Reaktionen weitestgehend ausschließen."

Ungeklärt sei auch die Frage, wie man das RNA-Editier-System in gewünschte Zielzellen einschleuse. Dennoch seien - jenseits der Forschung - viele Möglichkeiten der Nutzung vorstellbar, sagt Marschalek. Denkbar sei, mit dem Cas13-System gefährliche RNA-Viren zu inaktivieren, um Körperzellen zu schützen. Zu diesen Viren zählen etliche Krankheitserreger - etwa von Grippe, Zika, HIV und Hepatitis C. Solche Ansätze seien allerdings noch weit entfernt, so Marschalek.

Auch das Team um Liu dämpft Hoffnungen auf schnelle Erfolge. "Eine Maschine zu erschaffen, die genetische Veränderungen zur Behandlung von Krankheiten erzeugt, ist ein wichtiger Schritt nach vorne, aber es ist nur ein Teil dessen, was zur Behandlung eines Patienten nötig ist", sagt Liu. "Wir müssen die Maschine noch in die Zellen bringen, wir müssen ihre Sicherheit testen, die Vorteile in Tieren und Patienten untersuchen und gegen eventuelle Nebenwirkungen abwägen."

chs/dpa



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