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Nachfolger der Genschere Erbgut-Umbau gelingt mit Austausch präziser

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Eine Doppelhelix mit DNA-Abschnitten.

(Foto: National Human Genome Research Institute / Reuters)

Die Genschere Crispr-Cas gilt als Wunderwaffe der Zukunft und ist gleichzeitig sehr umstritten. Zwei neue Methoden, die auf Crispr aufbauen, könnten präziser arbeiten.

Einfacher, billiger, schneller: Die Genschere Crispr-Cas ist die Wunderwaffe der Gentechnik. Seit ihrer Entdeckung vor fünf Jahren revolutioniert sie die medizinische Forschung und weitere Biowissenschaften. Eigentlich dient sie Bakterien zur Abwehr von Angreifern wie etwa Viren, die ihr Erbgut in die DNA einbauen. Diese Sequenzen werden von Crispr erkannt und mit Hilfe des daran gekoppelten Enzyms Cas herausgeschnitten.

Inzwischen arbeiten Tausende Forscher mit dem Werkzeug, das Gensequenzen zerschneiden, ausschalten oder durch andere ersetzen kann - bei Viren, Pflanzen, Tieren und auch beim Menschen. Sie können mit der Technik fehlerhafte Bereiche in der DNA - sogenannte Mutationen - gezielt ansteuern und korrigieren. Allerdings hat sich gezeigt, dass die Schere nicht so präzise arbeitet wie zunächst erhofft und etwa auch an unerwünschten Stellen DNA schneidet.

Zwei neue Ansätze

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.

Mit der Genschere war der Austausch einzelner DNA-Bausteine bis vor Kurzem nur sehr bedingt möglich. Bei diesen Bausteinen handelt es sich um die sogenannten Basen, die das Grundgerüst der DNA mit aufbauen. Insgesamt gibt es im DNA-Molekül vier Basen - Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T). Sie treten im DNA-Doppelstrang stets in Paaren auf, und zwar paart sich Adenin mit Thymin (A-T) und Cytosin mit Guanin (C-G). 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.

Umwandlung von Basenpaaren

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. In "Nature" beschreiben die Forscher nun eine neue Art von Basen-Editoren, die auch die Umwandlung eines A-T-Paares in ein G-C-Paar ermöglichen. Sie nennen ihr System Adenin Basen Editor, kurz ABE.

"Wir haben einen neuen Basen-Editor entwickelt - eine molekulare Maschine - der auf programmierbare, unumkehrbare, effiziente und saubere Art Mutationen im Genom lebender Zellen korrigieren kann", erläutert Liu in einer Mitteilung seines Instituts. "Wenn man gezielt bestimmte Stellen in der menschlichen DNA ansteuert, kann diese Umwandlung eine Mutation umkehren, die mit einer bestimmten Krankheit verbunden ist."

Das Ganze funktioniert so: Das von den Forschern erstellte 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 C-G-Paar umgewandelt wird. Mit dem neuen Editor lassen sich nun alle vier Basen-Bausteine umwandeln.

"Das ist eine sehr interessante Arbeit und ein guter Schritt nach vorn", urteilt Frank Buchholz, Leiter der Abteilung für Medizinische Systembiologie an der Medizinischen Fakultät der TU Dresden. "Die Forscher haben mit dieser Weiterentwicklung die bisherigen Anwendungsmöglichkeiten der Genschere massiv ausgeweitet."

Hohe Präzision möglich

Die 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."

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.

Zweiter hoffnungsvoller Ansatz

Im Fachblatt "Science" stellt eine MIT-Gruppe um Feng Zhang eine weitere Abwandlung von Crispr-Cas 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 Eiweiß-Fabriken 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.

Das neue System nennen die Forscher REPAIR (RNA Editing for Programmable A to I Replacement). "Bisher konnten wir Gene ziemlich gut inaktivieren, aber eine verlorene Proteinfunktion wiederzuerlangen ist wesentlich anspruchsvoller", wird Zhang in einer MIT-Mitteilung zitiert. "Die neue Fähigkeit, RNA zu editieren, eröffnet mehr Möglichkeiten, jene Funktion wiederzugewinnen und viele Krankheiten zu behandeln, in fast allen Zellarten."

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. "Unser Erfolg mit dem System ist ermutigend, und es gibt klare Anzeichen dafür, dass es noch weiterentwickelt werden kann", sagt Erstautor Omar Abudayyeh.

Hohe Fehleranfälligkeit

Ein großes Problem ist aber, dass auch andere RNA-Bausteine als die anvisierten umgewandelt werden. In der ersten Version - REPAIRv1 - zählten die Forscher noch mehr als 18.000 solcher Off-Target-Effekte, bei der Nachfolgerversion REPAIRv2 waren es nur noch 20.

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

Doch auch wenn das Verfahren bei Weitem nicht perfekt sei, zeige die Arbeit, was derzeit machbar sei, betont Marschalek. Ungeklärt sei allerdings 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, Aids und Hepatitis C. Solche Ansätze seien allerdings noch weit entfernt, betont Marschalek.

"Großer Schritt in die richtige Richtung"

"Insgesamt ist diese Neuerung jedoch ein großer Schritt in die richtige Richtung", betont der Krebsspezialist. "Zudem umgeht sie den in der westlichen Welt existierenden rechtlichen Rahmen zur Manipulation des Erbguts, da hier keine Genome editiert werden, sondern nur die Abschriften. Hier tun sich Möglichkeiten auf, über die man derzeit nur spekulieren kann."

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 - es gibt noch viel zu tun."

Quelle: n-tv.de, Anja Garms und Walter Willems, dpa

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