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Nobelpreise 2020 zeichnen Durchbrüche in der Biomedizin aus

Wie jedes Jahr sind auch 2020 am 10. Dezember – dem Todestag Alfred Nobels – die Gewinner der diesjährigen Nobelpreise feierlich in Stockholm geehrt worden. Die Preisträgerinnen und Preisträger aus den Kategorien Chemie und Medizin haben mit ihren Arbeiten zu Gentechnik-Verfahren bzw. zum Hepatitis-C-Virus bedeutende Grundlagen für die Entwicklung neuer Therapien gelegt.

Werkzeug für gezielte Gen-Veränderung stammt ursprünglich aus Bakterien

Mit dem diesjährigen Chemie-Nobelpreis werden die beiden Forscherinnen Emmanuelle Charpentier und Jennifer Doudna für die Entwicklung eines molekularen Werkzeugs zum Gene Editing ausgezeichnet.(1) Darunter versteht man die gezielte Veränderung einzelner Gene der DNA.



Kern der von den beiden Forscherinnen entwickelten Methode ist ein Element aus dem Immunsystem von Bakterien: CRISPR/Cas9. Dessen Aufgabe ist es, Angriffe von auf Bakterien spezialisierten Viren (Bakteriophagen) abzuwehren. Wird ein Bakterium erstmals von einer bestimmten Phagenart befallen, werden einzelne Abschnitte des Phagen-Erbguts in die Bakterien-DNA eingebaut. Diese speziellen DNA-Elemente, die der Wissenschaft bereits seit mehreren Jahrzehnten bekannt sind, heißen Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, kurz: CRISPR.(2)

In ihrer Dankesrede, die Emmanuelle Charpentier anlässlich der Medaillenvergabe am 08.12.2020 in Berlin hielt, erläutert sie die CRISPR/Cas-Technik:

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Navigationssystem für die DNA-Scheren

Anhand der CRISPR-Abschnitte finden Cas-Proteine (CRISPR-assoziierte Proteine) ihre Zielstellen auf der DNA, um diese zu zerschneiden. Wird ein Bakterium nun mit einem Phagen infiziert, zu dessen Erbgut sich passende CRISPR-Abschnitte im Bakteriengenom finden, wird die Phagen-DNA von CRISPR/Cas erkannt und zerschnitten.(3)

Die Pionierleistung von Charpentier, Doudna sowie ihren Teams war es, das CRISPR-Cas-System als universell einsetzbares Werkzeug für die gezielte Veränderung von DNA weiterzuentwickeln. Sie erkannten etwa, dass man für die Veränderung eines bestimmten DNA-Stücks eine passende RNA-Sequenz als Navigationshilfe herstellen muss, um diese zusammen mit ebenfalls im Labor erzeugtem Cas9-Protein in die Zielzellen einzuschleusen. Im Vergleich zu älteren Verfahren ist CRISPR/Cas9 einfach anzuwenden, kostengünstig und sehr präzise. Deshalb wurde die Methode innerhalb weniger Jahre zur Standardtechnik in der Genetik.(4)

Schematische Darstellung einer Gensequenzierung in fünf Schritten

Die Abbildung "Gene Editing mit CRISPR/Cas9" können Sie sich auch als PDF-Datei oder hochaufgelöste JPG-Datei zur kostenfreien Verwendung herunterladen.

Vom Labor aus hielt dieses Molekül-Duo anschließend Einzug in die Anwendung, etwa zur Erzeugung von resistenten Nutzpflanzen oder um in Gentherapien fehlerhafte Gene zu korrigieren. Dazu lotst man die Genschere mit einer spezifischen Nukleinsäuresequenz zum defekten Genort und liefert gleichzeitig ein Stück DNA einer intakten Gen-Kopie mit. Letztere wird von den zellulären Reparaturmechanismen nach dem Schnitt dauerhaft in das Genom eingebaut. Auch der Austausch einzelner Basen ist damit möglich, sowie die Stilllegung unerwünschter Gene. Erste, auf CRISPR/Cas basierende Therapien befinden sich bereits in frühen Phasen der klinischen Prüfung.(5)

Hepatitis C-Infektionen mittlerweile heilbar geworden

Sehr effektive Arzneimittel gegen das Hepatitis-C-Virus (HCV) sind seit einigen Jahren verfügbar. Die drei Mediziner Harvey J. Alter, Michael Houghton und Charles M. Rice legten mit ihren Forschungsarbeiten den Grundstein dafür und werden deshalb mit dem diesjährigen Medizin-Nobelpreis für die Entdeckung des Hepatitis-C-Virus ausgezeichnet.(6)



HCV ist ein umhülltes RNA-Virus, das sich fast ausschließlich über kontaminiertes Blut oder Plasma überträgt. In etwa einem Viertel der Fälle heilt eine HCV-Infektion spontan aus, während sie ansonsten in eine chronische Form übergeht. Folgen einer chronischen HCV-Infektion können eine nachhaltige Schädigung des Lebergewebes, oft einhergehend mit einer Leberzirrhose sowie, etwas seltener, Leberkrebs sein.(7)

Unbekanntes Virus löste Hepatitis nach Bluttransfusionen aus

Bis in die 1980er Jahre bestand nach einer Bluttransfusion ein bis zu 30%iges Risiko, eine Leberzirrhose zu entwickeln. Auch nach der Testung von Blut und Plasmaspenden auf Hepatitis-A- und Hepatitis-B-Viren blieben Bluttransfusionen riskant in Bezug auf eine so genannte Nicht-A-nicht-B-Hepatitis (NANBH).(8) Harvey Alter erkannte, dass auch diese Hepatitis durch ein Virus ausgelöst wurde. Allerdings kam man mit den damaligen Standardverfahren der Virologie dem Erreger nicht auf die Spur.

Mit Detailarbeit zur Entdeckung des Hepatitis-C-Virus

Schematische Darstellung der Wirkprinzipien von Hepatitis-C-Medikamenten

So wirken zugelassene und in Entwicklung befindliche Medikamente gegen Hepatitis C

Preisverleihung vom Sofa aus verfolgen

Die Verleihung der Nobelpreise 2020 an Alter, Rice und Houghton sowie Charpentier und Doudna fand aufgrund der Covid-19-Pandemie - wie die der Preisträger aus den Kategorien Physik (Roger Penrose, Reinhard Genzel und Andrea Ghez) und Literatur (Louise Glück) - an den jeweiligen Wohnorten statt. Die festliche Veranstaltung in Stockholm fiel dieses Jahr deutlich kleiner aus als üblich – und ohne Laureaten vor Ort. Sie konnte aber dafür via Stream in der ganzen Welt miterlebt werden.(10)

Literaturtipps