Im Februar 2016 meldete ein Forscherteam aus Dresden und Hamburg, in Zellkulturversuchen erfolgreich HIV-DNA aus infizierten menschlichen Zellen entfernt zu haben. Dabei setzten sie jedoch nicht etwa auf das CRISPR/Cas9-System, eine molekulare Technologie zur DNA-Modifizierung, die in letzter Zeit für viel Aufsehen sorgte. Vielmehr entwickelten sie ein spezielles Enzym, eine Rekombinase, mit der sich gezielt DNA ausschneiden lässt. Worin besteht der Vorteil dieser Vorgehensweise?

(© National Institutes of Health (NIH) / Wikimedia Commons)
Bei einer HIV-Infektion dringt das Virus in Zellen ein und integriert seine genetische Information in das menschliche Genom. Diese integrierte DNA-Sequenz wird als Provirus bezeichnet. Eine einmal befallene Zelle wird so bis zu ihrem Tod zur Produktionsmaschine neuer HI-Viren. Dass es sich dabei um Zellen des Immunsystems handelt, erhöht die medizinische Relevanz, denn durch die Infektion mit und die anschließende Ausbreitung von HI-Viren im Körper wird das Immunsystem kontinuierlich schwächer, bis die chronische Infektion schließlich in die Immunschwächekrankheit AIDS mündet.

In einem gemeinsamen Forschungsprojekt konnten Wissenschaftler der Technischen Universität Dresden und des Heinrich-Pette-Instituts Hamburg nun zeigen, wie man die Genomkopie des Virus aus der DNA infizierter menschlicher T-Zellen wieder entfernen kann(1) . Dazu selektierten sie gezielt das Enzym Brec1, das zur Familie der Rekombinasen gehört. Rekombinasen sind in der Lage, DNA aufzubrechen und die entstandenen Enden neu miteinander zu verknüpfen. So können beispielsweise mutierte DNA-Sequenzen aus einem Genom entfernt werden. Dieser Mechanismus wurde bei diesem aktuellen Forschungsansatz genutzt, um das HIV-Genom aus der DNA der Zellen „herauszuschneiden“. Das in dem Projekt modifizierte Brec1 Enzym erkennt, so die Wissenschaftler, eine Sequenz, die an zwei Stellen im Genom von knapp 90% der bekannten HIV-1 Subtypen vorkommt.

Die Rekombinase erkennt die beiden Sequenzen, die sehr nah am Anfang bzw. Ende des Provirus liegen, und schneidet den DNA-Strang an diesen Stellen auf. Anschließend verbindet es die beiden ursprünglichen Enden der DNA der Zelle wieder miteinander. Als Resultat bleiben zwar Überreste der Sequenz des HIV-Genoms in der DNA, die jenseits der Stellen liegen, an der Brec1 die DNA auftrennt. Dabei handelt es sich jedoch höchstens um einige wenige Basenpaare, die keinerlei pathogene Wirkung zeigen. Das Gros des Provirus wird jedoch aus dem Genom entfernt und anschließend von zelleigenen Enzymen, sogenannten Nukleasen, abgebaut.

Auf lange Sicht könnten sich die Forscher aus Dresden und Hamburg den Einsatz ihrer DNA-Schere so vorstellen: Einem HIV-infizierten Patienten werden blutbildende Stammzellen aus dem Knochenmark entnommen und so modifiziert, dass sie die Rekombinase Brec1 herstellen können. Die anschließend in den Körper des Patienten zurückgeführten Stammzellen würden fortan T-Zellen hervorbringen, die zwar von HI-Viren befallen werden, aber keine neuen Viren produzieren können. Bereits infizierte T-Zellen könnten vom Immunsystem vernichtet werden, ohne dass eine Immunschwäche auftreten würde(2) .

Neben den Versuchen, infizierte Zellen mittels Rekombinasen vom Provirus zu befreien, wird in weiteren Projekten der Einsatz des CRISPR/Cas9-Systems(3) bei einer HIV-Infektion untersucht. 2013 konnten Forscher zeigen, dass mit dieser noch relativ jungen Technologie bestimmte Abschnitte des Provirus, die die Herstellung neuer Viren kontrollieren, gezielt abgeschaltet werden können(4) .

Im Unterschied zu dem Verfahren mit Rekombinasen, die in der Lage sind, annähernd die gesamte virale DNA aus dem Genom der Zelle zu entfernen, bleiben beim Einsatz von CRISPR/Cas9 deutlich größere Reste des viralen Genoms im Erbgut der befallenen Zellen zurück. Etwaige Auswirkungen dieser Reste sind zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht hinreichend erforscht. Außerdem geben die Dresdner und Hamburger Forscher an, dass beim Einsatz von Brec1 eine höhere Spezifität gegeben sei als beim CRISPR/Cas9-System. Das würde bedeuten, dass es in einigen Fällen passieren könnte, dass das CRISPR/Cas9-System nicht an der gewünschten Stelle im Provirus aktiv wird, sondern an einer anderen Stelle im Genom der infizierten Zelle schneidet. Im Gegensatz dazu soll die Rekombinase Brec1 tatsächlich sehr spezifisch die virale DNA herausschneiden können. Weitere Forschungen und Analysen werden erforderlich sein, bevor diese therapeutischen Ansätze in klinischen Prüfungen untersucht werden können. Erst dann wird absehbar sein, ob die Ansätze – und wenn ja, welche – im therapeutischen Alltag HIV-infizierter Patienten von medizinischem Nutzen sein werden.

Diese aktuellen Forschungsergebnisse zeigen, welche entscheidende Rolle biotechnologische und molekularbiologische Methoden bei der Erweiterung und Verbesserung der Behandlungsmöglichkeiten schwerer Krankheiten spielen. Die forschenden Pharma- und Biotech-Unternehmen tragen nach Kräften dazu bei, neueste Erkenntnisse der Grundlagenforschung in moderne Medikamente und Therapien umzusetzen, um den bereits Infizierten zu helfen. Die wichtigste Maßnahme gegen eine Infektion mit HIV und die daraus resultierende Immunschwächekrankheit AIDS bleibt aber nach wie vor die Vermeidung einer Infektion durch weitreichende Aufklärung und entsprechende präventive Maßnahmen.

Literaturtipps:
(1) https://tu-dresden.de/med/der-bereich/news/rekombinase-brec1-richtungsweisend-fuer-zukuenftige-hiv-therapie
(2) http://www.spiegel.de/wissenschaft/medizin/hiv-erstmals-gibt-es-hoffnung-auf-heilung-a-1078380.html
(3) http://www.vfa-bio.de/vb-de/aktuelle-themen/forschung/von-genomchirurgie-und-genome-editing.html
(4) http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3752613/