Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats. Was wie ein Zungenbrecher klingt und durch die Initialen CRISPR verkürzt ist, sorgt seit einigen Jahren für hohe Aufmerksamkeit in der biologischen Forschung. Doch was genau ist CRISPR und was ist das Besondere daran?

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CRISPR ist eine im Laufe der Evolution entstandene Genomsequenz, mit der sich Bakterien gegen Viren, und zwar Bakteriophagen, wehren. Im Prinzip handelt es sich hierbei um Fragmente viraler DNA, die auf natürlichem Wege in das Bakteriengenom integriert wurden. Werden diese in RNA übersetzt, binden die RNA-Fragmente an sogenannte Cas (CRISPR associated)-Proteine. Bei Kontakt mit viraler DNA bzw. RNA, deren Sequenz komplementär zur RNA dieses Komplexes ist, bindet selbiger an die DNA (RNA) des Virus. Das Cas-Protein zerstört daraufhin das virale genetische Material; eine Vermehrung und Weiterverbreitung des Virus wird verhindert.

Von besonderer Bedeutung ist das Cas-Protein 9 (Cas9), das die DNA-Doppelhelix aufschneidet. In Kombination mit einem synthetischen RNA-Molekül, einer sogenannten Guide-RNA, die beliebige Wunschsequenzen im Genom erkennt, kann diese „DNA-Schere“ an so ziemlich jede Stelle im Genom geführt werden, um dort einen Schnitt herbeizuführen. Unter Zuhilfenahme des zelleigenen DNA-Reparatur-Apparats können an der Schnittstelle nunmehr zusätzliche DNA-Sequenzen ins Genom integriert werden. Diese Technologie zur Veränderung einzelner Genomsequenzen wurde von den Entdeckern CRISPR/Cas9-System genannt(1) und ist auch als Genomchirurgie oder Genome Editing bekannt.

Als Werkzeug in der biologischen Forschung ist dieses System deshalb von Relevanz, weil der Arbeitsaufwand dadurch erheblich verringert werden kann. Ein Beispiel: In der Grundlagenforschung ist es oft von hohem Interesse, einzelne Gene eines Organismus gezielt auszuschalten, um herauszufinden, welche Auswirkungen sich damit auf das Erscheinungsbild, den Phänotyp, des Organismus ergeben. Für relativ simple Organismen wie Bakterien oder Hefen ist dieses Vorgehen vergleichsweise einfach. Um ähnliche Versuche bei Mäusen oder Ratten durchzuführen, dauerte es bisher recht lange, und es sind mindestens zwei Generationen nötig, um eine Maus mit der gewünschten genetischen Sequenz zu erhalten. Mit dem CRISPR/Cas9-System kann diese Zeit deutlich verkürzt werden.

Diese neue Technologie ist nicht auf wenige Organismen beschränkt, sondern gemäß jetzigem Kenntnisstand universell einsetzbar. Zu den Organismen, an denen das System bis heute erprobt wurde, gehören Zebrafische, Fliegen, Mäuse, Hefe, aber auch Pflanzen wie die Ackerschmalwand, Tabak oder Mais. Spätestens seit bekannt ist, dass dieses einfache System zur gezielten Veränderung des Erbguts auch im Menschen funktioniert, wird die bereits beim Klonen und der Gentherapie gestellte Frage erneut diskutiert, ob bzw. in welchem Umfang das Anwenden von Technologien zur Veränderung des Erbguts des Menschen überhaupt zulässig ist.

Vorläufiger Höhepunkt der Debatte ist die Meldung, dass eine Forschergruppe in China das System an menschlichen Embryonen angewendet hat, die Experimente jedoch aufgrund der sehr geringen Erfolgsquote vorzeitig beendet habe. Dem Vernehmen nach forschen auch weitere chinesische Gruppen an der Anwendung von CRISPR/Cas9 an menschlichen Embryonen(2) . Andere Forschergruppen berichten ebenfalls, dass die Anwendung des Systems am Menschen noch lange nicht ausgereift sei. So liegt die Erfolgsquote von Versuchen, in denen das Genom von T-Zellen gezielt so verändert wird, dass bestimmte Rezeptoren, die bei der Infektion durch HIV involviert sind, nicht mehr aktiv sind, bei wenigen Prozent(3) .

Es ist daher essenziell, neutral und sachlich über den Nutzen und die Vorteile dieser Technologie, aber auch ihre Risiken und Herausforderungen zu berichten. Die Chancen, die das CRISPR/Cas9-System für die biomedizinische Forschung bietet, sollten dabei sorgfältig ausgelotet werden, ohne ethische Fragestellungen außen vor zu lassen.

Die gentherapeutische Veränderung der menschlichen Keimbahn, die zu einer Vererbbarkeit der eingebrachten oder veränderten Gene führen würde, halten der Verband der forschenden Pharma-Unternehmen (vfa) und vfa bio dabei aus ethischen und praktischen Gründen für nicht vertretbar. Die derzeit in Wissenschaft und Öffentlichkeit viel diskutierte Forderung nach einem Moratorium für Keimbahn-Experimente ist deshalb zu begrüßen(4) .

Bereits jetzt sind verschiedene konkrete Anwendungen der Technologie im Gespräch. So etwa der Einsatz des Systems, um gezielt Mutationen in Moskitos, die Malaria-Erreger übertragen, hervorzurufen. Dies soll bewirken, dass die Population nach wenigen Generationen zusammenbricht(5) . Auch wurden nach Etablierung der neuen Technologie bereits etliche neue Firmen gegründet, deren Kernthema der Einsatz des CRISPR/Cas9-Systems ist. Während einige der Firmen sich ganz konkreten medizinischen Anwendungen dieser Technologie widmen, wie beispielsweise der Behandlung von Mukoviszidose, spezialisieren sich andere auf die Produktion und den Vertrieb von Produkten wie Kits oder Zellen mit bestimmten genetischen Merkmalen für die mikrobiologische Grundlagenforschung. Ein weiteres, momentan noch sehr theoretisches Einsatzgebiet ist das Einbringen eines „genetischen Antibiotikums“, also quasi einer Immunisierung gegenüber Bakterien oder Viren auf Basis der DNA(6) , was der ursprünglichen Aufgabe des CRISPR/Cas9-Systems entspricht.


Literaturtipps:
(1) Jinek M, Chylinski K, Fonfara I, Hauer M, Doudna JA, Charpentier E, A programmable dual-RNA-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity, Science 2012, 337(6096): 816-21, DOI: 10.1126/science.1225829
(2) http://www.nature.com/news/chinese-scientists-genetically-modify-human-embryos-1.17378
(3) http://www.laborjournal.de/rubric/produkte/products_15/2015_10.lasso
(4) http://www.gentechnologiebericht.de/bilder/BBAW_Genomchirurgie-beim-Menschen_PDF-A1b.pdf
(5) http://www.nzz.ch/wissenschaft/medizin/eine-kettenreaktion-gegen-malaria-1.18563485
(6) http://www.zeit.de/2014/44/gentherapie-aids-heilung-nebenwirkungen/seite-2