1987 wurden im Genom von Escherichia Coli-Bakterien kurze, sich wiederholende DNA-Abschnitte entdeckt, die von variablen Regionen unterbrochen wurden. Die Funktion dieser Elemente war damals noch unbekannt. 2002 wurde erstmalig der Begriff \u201eC<\/u>lustered R<\/u>egulatory I<\/u>nterspaced S<\/u>hort P<\/u>alindromic R<\/u>epeats\u201c, kurz CRISPR, f\u00fcr diese Elemente verwendet. Im Jahr 2007 fand Rodolphe Barrangou zusammen mit seinen Kollegen von der Firma Danisco, Madison, USA, dass die CRISPR-Sequenzen bei Bakterien der Abwehr von Infektionen mit Viren dienen. Dazu bauen die Bakterien Teile der Fremd-DNA als kurze Zwischenst\u00fccke in die CRISPR-Bereiche ihres Genoms ein. 2012 hat die Arbeitsgruppe um Emanuelle Charpentier und Jennifer Doudna dann die Funktionsweise dieses Abwehrsystems aufgekl\u00e4rt. Die nach Erstinfektion eingebauten Teile der Virus-DNA werden in kleine RNA-St\u00fccke, sogenannte cr-RNAs abgelesen. Diese cr-RNAs werden dann von Proteinen des Cas-Systems gebunden. Cas steht f\u00fcr C<\/u>RISPR-a<\/u>ssoziierte S<\/u>equenzen. Die kodierende DNA f\u00fcr diese Cas-Proteine ist nahe an der CRISPR-Genregion lokalisiert. Wenn diese kurzen cr-RNA-St\u00fccke an Cas Proteine assoziieren, k\u00f6nnen sie im Bakterium sehr effizient Viren abwehren. Die Nukleins\u00e4ure des Virus wird durch die cr-RNA erkannt, und das assoziierte Cas-Enzym spaltet dann die virale DNA oder RNA. \u00dcber die CRISPR Region wird also ein Ged\u00e4chtnis an den Virus gebildet, das auch dann nicht verloren geht, wenn sich die Bakterien teilen. Die crRNA, zusammen mit den Nucleasen des Cas Systems k\u00f6nnen dann virale Nucleins\u00e4ure schnell und zuverl\u00e4ssig erkennen und inaktivieren.<\/p>\n
Schon ein Jahr nach der Ver\u00f6ffentlichung der Arbeitsgruppe um Emanuelle Charpentier und Jennifer Doudna im Juni 2012 folgten bis Sommer 2013 mehrere Dutzend Arbeiten in allen gro\u00dfen wissenschaftlichen Zeitschriften, die zeigten, dass diese Methode auch angewandt werden kann, um DNA in eukaryotischen Zellen zu ver\u00e4ndern, z. B. Zellen der Maus oder DNA in menschlichen Zellen. Der erste Bericht stammte aus der Arbeitsgruppe von Feng Zhang vom Broad Institut am MIT im Februar 2013. F\u00fcr die Anwendung bei Zellen der Maus oder des Menschen musste die kurze komplement\u00e4re cr-RNA so modifiziert werden, dass sie entsprechende Zielgene in eukaryotischen Zellen erkennt. Durch den Austausch der cr-RNA gegen eine k\u00fcnstlich hergestellte RNA jeglicher Sequenz k\u00f6nnen alle erdenklichen Zielsequenzen angesteuert werden, daher der Name \u201eguide RNA, abgek\u00fcrzt gRNA\u201c, also einer kurzen komplement\u00e4ren RNA Sequenz, die relativ einfach hergestellt werden kann, und die die Cas-9-Nuklease zur potenziellen Schnittstelle im Genom der Zelle f\u00fchrt.<\/p>\n
In einer solchen Zielsequenz wird der DNA Strang durch das Cas-9 Enzym gespalten, und man kann in den darauf folgenden Reparaturprozess eingreifen, indem man entweder ein neues DNA-St\u00fcck einbaut oder eine Mutation erzeugt. Diese nicht homologe Verkn\u00fcpfung der DNA-Enden wird h\u00e4ufig benutzt, um im Labor in kultivierten Zellen Gene zu modifizieren, die f\u00fcr Krebsentstehung, f\u00fcr neurodegenerative Erkrankungen und andere wichtige medizinische Fragestellungen relevant sind. Sie wird auch benutzt, um genetisch modifizierte Modellorganismen herzustellen, zum Beispiel ver\u00e4nderte Fruchtfliegen, M\u00e4use, sogar genetisch ver\u00e4nderte Rhesusaffen. Nicht nur im biomedizinischen Sektor ist die Zahl der Publikationen zu CRISPR\/Cas-9 in den letzten Jahren exponentiell gestiegen, ebenso die Zahl der Anwendungen und Patente aus den Bereichen Pflanzenforschung, Medikamentenproduktion und anderen technischen Anwendungsbereichen wie zum Beispiel der Entwicklung einer Xylose (Holzzucker-) abbauenden Hefe mit dem Ziel der Biotreibstoffproduktion.<\/p>\n
Mit einer solchen potenten Technik sind nat\u00fcrlich auch Probleme verbunden. Eine chinesische Arbeitsgruppe um Junjiu Huang, Sun Yat-sen Universit\u00e4t Guangzhou, hat im April letzten Jahres berichtet, sie h\u00e4tte die CRISPR\/Cas-9-Technik angewandt, um bei menschlichen Embryonen zu testen, ob das Gen f\u00fcr Betaglobin modifiziert werden kann, das bei der Thalass\u00e4mie, einer in s\u00fcdlichen L\u00e4ndern weit verbreiteten Blutkrankheit, mutiert ist. Die Arbeit wurde in der Zeitschrift Protein Cell publiziert (Protein Cell 6: 363-372, 2015), deren B\u00fcro in Peking liegt. Sie war zuvor bei den weltweit f\u00fchrenden Wissenschaftsmagazinen Nature und Science eingereicht worden, dort aber nicht publiziert worden. In verschiedenen Blogs und Stellungnahmen von Wissenschaftlern wurde das begr\u00fc\u00dft: 1. Der Erkenntniswert der Arbeit sei zu gering, die dort gezeigten Ergebnisse h\u00e4tte man aufgrund bereits bekannter Ergebnisse vorhersagen k\u00f6nnen, 2. die CRISPR\/Cas-9-Technik in dieser Studie sei nicht auf dem neuesten Stand gewesen, 3. die Ergebnisse h\u00e4tten keine praktische Bedeutung f\u00fcr eine Umsetzung, und dar\u00fcber hinaus sei das Experiment ethisch problematisch.<\/p>\n
Dem letzten Punkt haben die Autoren widersprochen. Sie h\u00e4tten tripronukle\u00e4re Zygoten verwendet, die ohnehin kein Entwicklungspotenzial haben. Diese tripronukle\u00e4ren Zygoten w\u00e4ren in den chinesischen Kliniken f\u00fcr Reproduktionsmedizin, in denen sie gesammelt wurden, ohnehin vernichtet worden. Tripronukle\u00e4re Zygoten entstehen, wenn eine weibliche Eizelle nicht nur von einem Spermium, sondern von zwei Spermien gleichzeitig befruchtet wird, so dass der durch Fusion entstehende Embryo nicht zwei, sondern drei halbe Chromosomens\u00e4tze enth\u00e4lt. Tats\u00e4chlich kommt das bei der k\u00fcnstlichen Befruchtung in zwei bis f\u00fcnf Prozent der F\u00e4lle vor. Die nach Fusion der drei Vorkerne entstehenden Embryonen entwickeln sich in der Regel nicht weiter, nur selten bis zur Blastozyste, und erreichen damit nicht das Stadium, in dem sie sich in die Geb\u00e4rmutter einnisten.<\/p>\n
Was haben die Forscher nun mit diesen tripronukle\u00e4ren Zygoten gefunden? Die CRISPR- gRNA f\u00fcr Betaglobin und Cas-9 wurde in 86 Embryonen injiziert. Nach 48 Stunden hatten 71 Embryonen \u00fcberlebt, 54 konnten genetisch getestet werden. Nur bei 28 Embryonen hatte Cas-9 im Betaglobin-Gen geschnitten, die meisten dieser Embryonen zeigten nur Mosaikmuster: Die Cas-9-Nuklease hatte also nicht im befruchteten Einzell-Stadium, sondern erst in den nachkommenden Generationen der Zellen geschnitten. Ein sich theoretisch daraus entwickelnder Embryo h\u00e4tte dann sowohl kranke als auch gesunde Zellen. Die modellhafte Reparatur des Betaglobin-Gens war nur in vier der 86 F\u00e4lle \u00fcberhaupt nachweisbar. Dar\u00fcber hinaus fand sich bei praktisch allen getesteten Embryonen eine hohe Zahl von off-target-Mutationen: Die gRNA hatte vermutlich unspezifisch an andere Bereiche des Genoms gebunden, dort die DNA geschnitten und ver\u00e4ndert.<\/p>\n
Die Reaktionen auf diesen Artikel waren vehement, nicht nur in der Wissenschaft, auch in der allgemeinen Presse. Wissenschaftliche Organisationen wie die Deutsche Forschungsgemeinschaft und die Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina reagierten mit entsprechenden Stellungnahmen. Aber auch in anderen L\u00e4ndern war dieser Bericht Anlass f\u00fcr sehr umfassende Stellungnahmen zur Ethik von Genome Editing, zum Beispiel durch das Nuffield Council on Bioethics in Gro\u00dfbritannien.<\/p>\n
Auch andere Wissenschaftler meldeten sich zu Wort. So forderte der Nobelpreistr\u00e4ger David Baltimore zusammen mit einer Reihe prominenter Kollegen und Kolleginnen ein weltweites Verbot zur Anwendung von CRISPR\/Cas-9 f\u00fcr die Modifikationen der menschlichen Keimbahn. \u00c4hnlich war auch die Diskussion in der weltweiten Presse. Ein Zitat von Rudolf Jaenisch, einem weltweit f\u00fchrenden Molekularbiologen und Stammzellforscher am MIT in Harvard, USA, aus einem Artikel der New York Times bringt die Meinung vieler Wissenschaftler genau auf den Punkt, warum diese Studie zumindest aus wissenschaftlicher Sicht bedeutungslos ist:<\/p>\n
\u201c A pressing question, said Rudolf Jaenisch, an M.I.T. biology professor, is why anyone would want to edit the genes of human embryos to prevent disease. Even in the most severe cases, involving diseases like Huntington\u2019s in which a single copy of a mutated gene inherited from either parent is enough to cause the disease with 100 percent certainty, editing poses ethical problems. Because of the way genes are distributed in embryos, when one parent has the gene, only half of the parent\u2019s embryos will inherit it. With gene editing, the cutting and pasting has to start immediately, in a fertilized egg, before it is possible to know if an embryo has the Huntington\u2019s gene. That means half the embryos that were edited would have been normal \u2014 their DNA would have been forever altered for no reason. \u201cIt is unacceptable to mutate normal embryos,\u201d Dr. Jaenisch said. <\/em>\u201cFor me, that means there is no application.\u201d<\/em><\/p>\n [Wenn man sich theoretisch die Anwendung von CRISPR\/Cas-9 bei einer Erkrankung wie Morbus Huntington vorstellt, bei der im Alter von 30-40 Jahren jeder Mutationstr\u00e4ger mit praktisch 100 Prozent Wahrscheinlichkeit erkranken w\u00fcrde, erg\u00e4be sich folgende Problematik: Von den Nachkommen w\u00e4ren nur 50 Prozent von diesem Gendefekt betroffen, und da man nicht wei\u00df, welche Embryonen betroffen sind, w\u00fcrden unn\u00f6tig 50 Prozent gesunde Embryonen mit CRISPR\/Cas-9 behandelt. Und dann ist die Technik nicht so effizient, dass sie das Gen in allen Zellen rekombinieren und reparieren kann. Eine Anwendung macht unter diesen Umst\u00e4nden keinen Sinn und ist inakzeptabel. Deutscher Text: MS<\/em>]<\/p>\n In Deutschland verbietet das Embryonenschutzgesetz von 1990 jede Forschung an Embryonen. Die publizierte Studie w\u00fcrde unter Paragraph 2 \u201eEbenso wird bestraft, wer zu einem anderen Zweck als der Herbeif\u00fchrung einer Schwangerschaft bewirkt, dass sich ein menschlicher Embryo extrakorporal weiterentwickelt\u201c und<\/em> Paragraph 5 des Embryonenschutzgesetzes fallen: \u201eWer die Erbinformation einer menschlichen Keimbahnzelle k\u00fcnstlich ver\u00e4ndert, wird mit Freiheitsstrafe bis zu 5 Jahren bestraft.\u201c Die Anwendung der CRISPR Cas-9 Technik zur Ver\u00e4nderung der Keimbahn des Menschen w\u00e4re also in Deutschland verboten.<\/p>\n Im Gegensatz dazu wird die CRISPR\/Cas-9-Technik au\u00dferhalb des Wirkbereichs des Embryonenschutzgesetzes mit hoher Wahrscheinlichkeit zu Anwendungen f\u00fchren. Dazu drei Beispiele, wie diese Technik in verschiedene Anwendungsrichtungen weiterverfolgt werden kann.<\/p>\n Die Spinale Muskelatrophie ist ein gutes Beispiel f\u00fcr eine m\u00f6gliche Anwendung im Bereich Somatische Gentherapie. Diese Erkrankung ist die h\u00e4ufigste Form einer neurodegenerativen Motoneuronerkrankung im Kindesalter. Weltweit ist eines von rund 5.000 Neugeborenen betroffen. Bei der schwersten Verlaufsform, die relativ h\u00e4ufig ist, f\u00fchrt die Erkrankung innerhalb von wenigen Jahren zum Tod. Die Kinder lernen nie zu sitzen oder zu laufen, sie sind zu schwach und sterben in der Regel an Infektionen und Ateml\u00e4hmung, weil auch die Muskulatur f\u00fcr die Atmung betroffen ist.<\/p>\n Das Krankheitsgen wurde 1995 entdeckt. Fast 95 Prozent aller Erkrankungsf\u00e4lle basieren auf einem Gendefekt im SMN-1<\/em>-Gen. Die Erkrankung tritt auf, obwohl es beim Menschen auch ein 2. SMN<\/em> Gen gibt, von dem das SMN-Protein gebildet werden k\u00f6nnte. Das zweite SMN<\/em>-Gen beim Menschen unterscheidet sich nur in wenigen Nukleotiden. Davon ist nur ein Nukeotidaustausch relevant, der f\u00fcr den Unterschied zwischen dem SMN-1<\/em>– und SMN-2<\/em>-Gen sorgt, ein C->T-Basenaustausch. Dadurch wird eine splice acceptor site<\/em> ver\u00e4ndert, so dass 90 Prozent der mRNA-Kopien dieses Gens die von Exon-7 kodierten Sequenzen nicht enthalten. Das daraus resultierende Protein ist deshalb verk\u00fcrzt und biologisch inaktiv. Nur 10 Prozent der Kopien sind vollst\u00e4ndig, und diese reichen nicht, um die Entwicklung und Funktion von Motoneuronen aufrechtzuerhalten. Aus diesem Grund hat sich die Therapieentwicklung bei dieser Erkrankung seit 10 Jahren darauf konzentriert, kurze synthetische DNA-St\u00fccke zu entwickeln, sogenannte Oligonukleotide, die inzwischen in klinischen Studien auf ihre Wirksamkeit hin getestet werden. Diese Oligonukleotide werden bei den betroffenen Kindern in das R\u00fcckenmarkwasser appliziert. Dort werden sie von motorischen Nervenzellen aufgenommen, gelangen in den Zellkern, und so wird nun diese Nukleotidaustauschstelle, die daf\u00fcr verantwortlich ist, dass die von diesem Chromosomabschnitt Exon-7 kodierten Sequenzen \u00fcbersehen werden, wieder erkannt, und es kann nun mehr funktionelles SMN Protein gebildet werden. Erste erfolgversprechende Ergebnisse gibt es bereits, und so ist es naheliegend, dass inzwischen offen dar\u00fcber gesprochen wird, CRISPR\/Cas-Ans\u00e4tze f\u00fcr die Behandlung dieser Erkrankung zu entwickeln, mit denen dieser Basenaustausch im SMN2<\/em> Gen in den motorischen Nervenzellen nicht nur transient, sondern auf Dauer bewerkstelligt werden soll.<\/p>\n Im Vergleich zu einer Rekombination in fr\u00fchen Embryonen l\u00e4gen die Vorteile auf der Hand. Die Therapie wird erst dann begonnen, wenn auch die Krankheit als solche diagnostiziert wird. Ziel ist, die fortschreitende Degeneration der motorischen Nervenzellen aufzuhalten. Und selbst wenn es nicht gelingt, das SMN2<\/em> Gen in allen Motoneurone zu rekombinieren, w\u00e4re es m\u00f6glich, bereits dann eine Verbesserung oder Verlangsamung der Erkrankung zu erreichen, wenn nur wenige motorische Nervenzellen funktionell wiederhergestellt w\u00fcrden. Auch hier gibt es Risiken wie z.B. unerw\u00fcnschte off-target-Effekte, die die Zellen noch mehr sch\u00e4digen k\u00f6nnten, oder unerw\u00fcnschte Effekte in anderen Zellen, wenn es nicht gelingt, die Konstrukte ausschlie\u00dflich nur in motorische Nervenzellen einzuschleusen oder nur dort zur Wirkung kommen zu lassen. Es ist aber vorstellbar, dass Betroffene und die Eltern betroffener Kinder diese Risiken in Kauf nehmen und sich mit Nachdruck f\u00fcr eine Anwendung aussprechen.<\/p>\n Weitere Anwendungen von CRISPR\/Cas-9 zeichnen sich ab in der Biotechnologie und in der Pflanzenzucht. Im Juni 2015 wurde berichtet, wie mit der CRISPR\/Cas-9-Technik Hefest\u00e4mme so ver\u00e4ndert werden k\u00f6nnen, dass sie aus Xylose Biotreibstoff herstellen. Denkbar sind weitere Entwicklungen bei Hefen und anderen Zellen f\u00fcr die Herstellung von Medikamenten und technischen Stoffen, aus denen zum Beispiel Energie gewonnen werden kann.<\/p>\n Eine weitere Entwicklung ist die Anwendung in der Pflanzenzucht. Als Beispiel ein Bericht aus dem Jahr 2014, wie durch gleichzeitige Mutation von drei Genen im Saatgut ein Mehltau-resistenter Weizen hergestellt werden konnte.<\/p>\n Auch die \u201egene-drive\u201c-Methode beruht auf der CRISPR\/Cas-9-Technik. Sie ist vor allem f\u00fcr einen Einsatz bei Infektionskrankheiten im Gespr\u00e4ch, die durch Insekten \u00fcbertragen werden. Es war zwar bisher auch mit konventionellen Techniken m\u00f6glich, das Genom von Insekten zu ver\u00e4ndern. Es wurde auch schon angedacht, so z.B. genetisch mutierte Anopheles-M\u00fccken herzustellen, die nicht mehr in der Lage sind, den Malaria-Erreger zu \u00fcbertragen. Aber diese M\u00fccken w\u00fcrden diese Eigenschaft nur auf die H\u00e4lfte ihrer Nachkommen \u00fcbertragen, und das reicht nicht aus, um die Population nachhaltig zu ver\u00e4ndern. Ganz anders, wenn das CRISPR\/Cas-9-System einsetzt w\u00fcrde. Dazu m\u00fcsste man die genetische Information f\u00fcr die gRNA und f\u00fcr Cas-9 im Genom der M\u00fccke verankern: Die Rekombinase k\u00f6nnte dann auf beide Allele wirken, auch bei den Nachkommen. Die ver\u00e4nderte Eigenschaft w\u00fcrde so auf alle Nachkommen \u00fcbertragen, die Mutation w\u00fcrde sich in der Gesamtpopulation der M\u00fccken ausbreiten, und die mutanten M\u00fccken w\u00e4ren nicht mehr in der Lage, den Malaria-Erreger zu \u00fcbertragen.<\/p>\n Eine Reihe von Wissenschaftlern hat angemahnt, dass eine Debatte zu diesem Thema notwendig ist, um auf internationaler Ebene klare Regelungen zu schaffen, unter denen solche Eingriffe in die Umwelt erlaubt bzw. verboten werden. Das bedarf nat\u00fcrlich einer breit gef\u00fchrten \u00f6ffentlichen und sachlichen Diskussion, die erst gef\u00fchrt werden muss.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":" Interdisciplinary discussion<\/p>","protected":false},"author":1,"featured_media":32559,"menu_order":1629,"template":"","meta":{"_relevanssi_hide_post":"","_relevanssi_hide_content":"","_relevanssi_pin_for_all":"","_relevanssi_pin_keywords":"","_relevanssi_unpin_keywords":"","_relevanssi_related_keywords":"","_relevanssi_related_include_ids":"","_relevanssi_related_exclude_ids":"","_relevanssi_related_no_append":"","_relevanssi_related_not_related":"","_relevanssi_related_posts":"","_relevanssi_noindex_reason":"","footnotes":""},"class_list":["post-32453","media-library","type-media-library","status-publish","has-post-thumbnail","hentry","media-library-category-n-a"],"yoast_head":"\n\n