Das Protein CRISPR/Cas9 (Mitte): Mit RNA-Leitsequenzen (orange und rot) wird DNA (blau) geschnitten.

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Bald ist es zehn Jahre her, dass ein Team um die französische Mikrobiologin Emmanuelle Charpentier und die US-amerikanische Strukturbiologin Jennifer Doudna gemeinsam ein erstes revolutionäres Paper über CRISPR/Cas9 publizierte.

Das beschriebene System wurde im Bakterium Streptococcus pyogenes entdeckt, das sich damit gegen Viren wehrt, die es befallen können. Es funktioniert dabei ähnlich dem Immunsystem von Wirbeltieren und kopiert Teile der DNA des Erregers ins eigene Genom. Somit kann das Bakterium die Viren später erkennen, ähnlich wie Antikörper es tun. Mittels dieser viralen Genom-Schnipsel als "Suchbegriff" kann das Cas9-Enzym die Viren entdecken und zerstören.

Sehr bald wurde erkannt, dass man dieses System im Labor verwenden könnte: Rüstet man das Cas9-Enzym mit Suchbegriffen aus unserem Genom, so könnte man DNA selektiv entfernen, möglicherweise austauschen. Das wäre Genome-Editing, so schnell und effizient, wie man es zuvor noch nie gesehen hatte. Man sprach von der Gen-Schere, von einem "biotechnologischen Wunderwerk", schon wurden Ideen für die Heilung von Erbkrankheiten oder von Krebs laut.

Zerstörte Gene

Doch so feinteilig die Arbeit im Labor beschrieben wurde, so grob war damals das Ergebnis: "CRISPR/Cas9 war in der Laborarbeit anfangs so effizient wie ein Cruise-Missile, die Gene, auf die das Werkzeug mittels Guide-RNA gerichtet war, wurden zerstört." Diese Darstellung des Genetikers Ulrich Elling überrascht einigermaßen, wenn man die zahlreichen Vergleiche dieser bekanntesten Art des Genome-Editing mit einer Schere bedenkt.

Das klang eher nach ausgeklügelter Labortechnik als nach Kaputtmachen. Elling, Gruppenleiter am Institut für Molekulare Biotechnologie (IMBA) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW), betont aber: "Am Ende war das Gen kaputt."

Auch Christoph Bock, Epigenetiker am Zentrum für Molekulare Medizin (CeMM) der ÖAW, meint, dass CRISPR anfangs nicht die Schere war, als die es so bildhaft beschrieben wurde. Bock: "CRISPR/Cas9 ist als reine Knock-out-Technologie gestartet." Die Schere sei ein "schönes Bild" gewesen, zur damaligen Zeit aber noch reine Science-Fiction. Dazu kamen zufällige Schäden am Erbgut als ungewollte Nebeneffekte.

Weiterentwicklungen

Britische Forscher berichteten zum Beispiel 2018 in "Nature Biotechnology" von verlorengegangenen Genen und Verschiebungen ganzer Bereiche des Erbguts durch CRISPR/Cas9, beobachtet wurde das in embryonalen Mausstammzellen und menschlichen Zelllinien. In nur wenigen Jahren haben aber zahlreiche Forschungsgruppen Weiterentwicklungen auf den Weg gebracht, die nun deutlich mehr möglich machen.

"Die Science-Fiction ist mittlerweile fast Realität geworden," sagt Bock. Man könne nun auch dauerhaft Gene abschalten, aber auch wieder aktivieren (CRISPR off und CRISPR on), sehr effizient alle Gene mit einer bestimmten Eigenschaft identifizieren (CRISPR-Screening) und Mutationen über Base-Editing in das Genom einführen, was, betont Elling, "dem echten Editieren viel näher kommt". Bock sagt, in der Wissenschaft habe man all diese Entwicklungen schon erwartet, wenngleich die Dynamik schon "eindrucksvoll" ist.

Feinere Klingen

Die Laborarbeit wird dadurch nicht nur einfacher, es sind auch komplexere Operationen möglich, und schließlich wird auch eine routinemäßige Anwendung in der Humanmedizin immer wahrscheinlicher. Base-Editing war schon ein entscheidender Schritt weg vom "Kaputtmachen". Dabei werden die DNA-Stränge zwar aufgespaltet, aber nicht gänzlich durchtrennt.

Die Guide-RNA, die auch im CRISPR-System existiert, steuert die Sequenz im Genom, die verändert werden soll, mit einem Enzym im Rucksack an, um eine ungewollte Mutation zu beheben oder eine gewollte Mutation durchführen zu können. Dabei wird nicht, wie mit CRISPR/Cas9 üblich, ein Doppelstrangbruch herbeigeführt.

Für Erkrankungen, die durch Mutation in der DNA entstehen (zum Beispiel der genetisch bedingte Abbau von Muskelmasse, die Muskeldystrophie), ist diese Methode ein erster Schritt zu einer Therapie. CRISPR off und CRISPR on wird in der Wissenschaft vielfach als ein nächster Schritt in die biomedizinische Anwendung gefeiert.

Epigenetischer Aufkleber

Die effizienzsteigernde Weiterentwicklung von CRISPR interference (CRISPRi) und CRISPR activation (CRISPRa) kann, wie IMBA-Forscher Elling sagt, die Genexpression dauerhaft verändern, die Informationen zur Herstellung eines Proteins werden neu definiert. Das kann über Hunderte von Zellteilungen vererbt werden.

Die Vorläufer konnten das nur, solange das biotechnologische Werkzeug zur Verfügung stand. Bock sagt: "Man heftet einen epigenetischen Aufkleber auf Gene mit dem Hinweis ‚Bitte nicht anfassen‘." CRISPR off verursacht also kein Schneiden in der DNA, es kopiert einen Vorgang in der Zelle, der als Methylierung bekannt ist.

Bei CRISPRa dagegen markiert man ein Gen mit "Bitte herstellen" und ruft die entsprechende Maschinerie auf den Plan. Immer wieder werden Gene aus- oder eingeschaltet, je nachdem, welche Proteine gerade notwendig sind.

Es gibt bereits Unternehmen, die auf dieser Basis Therapeutika entwickeln: Chroma Medicine startete im November 2021 mit einer Finanzierung von 125 Millionen Dollar (umgerechnet 110 Millionen Euro). Man müsse erst sehen, wie stabil die Veränderungen durch dieses Epigenome-Editing im Menschen sein könnten, ohne Schäden zu verursachen, warnt Bock vor verfrühten Hoffnungen auf Heilung von Krankheiten.

Minimierte Proteinzufuhr

Ein schon länger zurückliegendes Experiment, bei dem die Produktion des im Zusammenhang mit Alzheimer wichtigen Tau-Proteins unterdrückt werden sollte, ist nur teilweise gelungen: Die Proteinzufuhr konnte aber immerhin minimiert werden.

Wie vielfältig CRISPR zu Weiterentwicklungen genützt werden kann, sieht man an CRISPR-Screening, dem für die Wissenschaft vielleicht spannendsten Technologiesprung seit der Entdeckung der Gen-Schere.

Genetisches Screening gibt es eigentlich schon lange – die deutsche Biochemikerin Christiane Nüsslein-Volhard, Medizinnobelpreisträgerin, hat mit ihrem Team die Eier der Taufliege (Drosophila melanogaster) mit chemischen Mutagenen behandelt, um die Rate der natürlichen Mutation in der DNA zu erhöhen – "und danach schaute man, was passierte", sagt Bock.

Schere mit Suchfunktion

So haben die Wissenschafter zahlreiche Gene und ihre Funktion entdeckt, die bis heute noch deutsche Namen in der englischsprachigen Wissenschaftswelt tragen, zum Beispiel "Schlafen", das nach dem Abschalten zu einer Art Trancezustand der Drosophila führte. "Mit dem CRISPR-System kann ich das nun deutlich schneller und kontrollierbarer umsetzen als je zuvor", sagt Elling.

Man könnte zum Beispiel nach allen Genen suchen, die Krebs resistent oder im Idealfall besonders empfindlich machen gegen ein neuartiges Medikament. Dazu entwickelt man eine Zelllinie, die dem Krebs möglichst ähnlich ist, programmiert dann ein CRISPR-System, das in jeder Zelle ein anderes Gen ansteuert und inaktiviert.

Danach behandelt man die Zelllinie mit dem besagten Medikament und schaut, ob es überlebt, und wenn ja, was genau trotz Medikation weiter existiert oder besonders schnell stirbt. Danach sequenziert man die Guide-RNA, also die "Suchbegriffe", die als Bestandteil des CRISPR-Systems das Werkzeug zum Ziel-Gen brachte – aber nur von jenen Zellen, die überlebten.

So lassen sich Treiber und Achillesfersen des Tumors identifizieren, was wohl ein großer Schritt in der Humanmedizin wäre auf dem Weg zur Umwandlung der Krebserkrankung von einer unmittelbar tödlichen zu einem unterdrückten Begleiter in einem längeren Leben. (Peter Illetschko, 17.1.2022)