Die Genschere -"Der satanarchäolügenialkohöllische Wunschpunsch"?

 

Was genau ist eigentlich die Genschere, von der man fast täglich Neues hört? Eine neue Technologie namens CRISPR/Cas9 hat für die Forschung eine ähnliche Bedeutung, wie sie die Digitalisierung für die Gesellschaft hat.

 

 

Die Genschere ist in aller Munde. Seit der PCR, der Polymerase-Kettenreaktion hat es kaum eine biologische Technologie so unaufhaltsam ins Licht der breiten Öffentlichkeit gebracht. Dabei sind die meisten dazu erforderlichen Arbeitsschritte in den Laboren der Grundlagenforschung seit langem Usus. Warum genau ist die Genschere denn eigentlich so ein Durchbruch?

 

 

Arbeiten wie es im Buche steht

 

Die Werkzeuge, die ein moderner Biologe heute zur Manipulation des Erbmaterials verwendet, gleichen einer analogen, gut sortierten Schreibtischschublade. Es gibt Papier und Stifte und vor allem Klebstoff und Scheren. Nur ist das alles winzig klein und mit bloßem Auge nicht zu sehen. Schließlich bearbeiten sie die DNA, das Erbmaterial eines Lebewesens, das in seiner Gesamtheit, als Genom, in jeder einzelnen Zelle steckt. Genauer gesagt steckt sie bei den meisten Lebewesen im Zellkern und dieser ist gar nicht so einfach mit diesen Werkzeugen zu erreichen. Ebenfalls bearbeitet wird RNA, die auch außerhalb des Zellkerns als Transkript der DNA vorkommt. In eine Zelle hinein müssen die Werkzeuge in beiden Fällen kommen.

Bleiben wir bei dem Bild mit dem Buch, könnte man sich das Arbeiten ungefähr so vorstellen: Man nimmt ein Buch, bei dem einem z.B. das Ende nicht gefällt, schneidet die Seite aus, schreibt eine neue Seite und klebt diese in das Buch ein. Allerdings hatte dieses Vorgehen vor Entdeckung der Genschere einen großen Haken:

Die Seite wurde quasi wahllos in das Buch eingeklebt und landete irgendwo. Denn der neue Text wurde mittels einer Fähre platziert, die völlig zufällig ankam. Und das leider auch noch zusammen mit Papierschnipseln, Kleberesten und den Bauteilen der bei der Landung zerstörten Fähre. All das gehörte natürlich nicht ins Buch. Stand am Ende der Experimente ein neuer Organismus, handelte es sich um einen GVO, einen gentechnisch veränderten Organismus.

 

 

Stammzelle oder Körperzelle?

 

Führt man den Vergleich mit dem Buch weiter, hat er noch einen stimmigen Aspekt zu bieten. Das einzelne Buch ist vergleichbar mit einer Körperzelle, die vollkommen ausdifferenziert ist. Das heißt, die Zelle hat Spezialistenfunktion erworben, wie z.B. eine Hautzelle, eine Knochenzelle oder eine Nervenzelle. Lasse ich das Buch neu drucken, so ist der Schluß wieder der, den ich eigentlich nicht wollte. Es müßte also die gesamte Druckvorlage geändert werden, damit das Buch in Zukunft anders gedruckt wird. In lebenden Organismen klappt das nur, wenn man das Erbmaterial von Stammzellen ändert. Aus Stammzellen gehen andere Zellen hervor, die sich spezialisieren. Damit kann man sehr viel mehr beeinflußen, als eine einzige Zelle, die sonst nur für ihre eigene Lebensdauer verändert bleibt. Die größtmögliche Einflußnahme auf den späteren Organismus lässt sich mit embryonalen Stammzellen erzielen. In Deutschland ist das Arbeiten an Stammzellen zum Leidwesen der Forschung sehr stark reglementiert und damit kaum möglich.

 

 

CRISPR/Cas9 leistet Präzisionsarbeit

 

Kommen wir zurück zum Buch: Die Genschere kann tatsächlich genau an der gewünschten Stelle ansetzen, sie hat sozusagen Landekoordinaten dabei. Und das macht es möglich jede Seite im Text anzusteuern und einzelne Buchstaben oder ganze Kapitel zu ändern. Die derzeit beliebteste Genschere, weil sie hochpräzise ist, ist das CRISPR/Cas9 System. Wer es entdeckt hat ist derzeit noch strittig, doch mittlerweile gibt es fast täglich neue Meldungen über Erfolge in biologischer und medizinischer Forschung, die damit erzielt wurden. Das CRISPR/Cas9 System stammt ursrpünglich aus Bakterien und dient diesen als Immunabwehr gegen Viren. CRISPR steht für "clustered regularly interspaced short palindromic repeats". Das bedeutet, es sind kurze palindromische Wiederholungssequenzen der DNA, die durch andere Informationen getrennt sind und im Genom an bestimmten Stellen gehäuft auftreten.

 

Aus bakterieller Sicht stellt sich der Vorgang dar, wie unten in der Grafik aufgeführt:

 

 

 

 

Ablauf der bakteriellen Virusabwehr durch CRISPR/Cas9

 

Ein Bakterium wird von einem Virus infiziert, wie in Phase 1 der Abbildung zu sehen. Viren bestehen nur aus Nukleinsäuren, also DNA oder RNA und Hüllproteinen. Die in der Zelle angelangte virale DNA wird erkannt und Teile davon werden in das Bakteriengenom eingebaut. Diese Stellen der Erbinformation werden durch spezielle Enzyme, den Polymerasen, abgelesen und als RNA vervielfältigt, wie in Phase 2 abgebildet. Cas9 - eine Endonuklease, also ein Protein, das Nukleinsäuren auf bestimmte Weise schneidet - erkennt diese Kopien und bildet mit ihnen einen Komplex. Cas steht dabei für CRISPR-assoziiert und damit ist der CRISPR/Cas9 Komplex  komplett. In der Abbildung in Phase 3 ist zu sehen, wie sich der Komplex auf die Suche nach der viralen DNA in der Baktierienzelle begibt und die Nuklease diese zerschneidet. Damit wird sie funktionslos und unschädlich und das Virus ist besiegt. Erkennen kann der Komplex die virale DNA aufgrund der von ihm aufgenommenen RNA, der sogenannten Guide-RNA.

 

 

Wie funktioniert Gene Editing mit CRISPR/Cas9?

 

Um das bakterielle System für Anwendungen in anderen Organismen zu nutzen, wird Cas9 mit einer spezifischen RNA, die zur Zielsequenz im avisierten Erbgut passt, bestückt. Das ist allerdings noch nicht unbeschränkt möglich. Damit das System auch wirklich schneidet, muss in der Nähe der Zielsequenz eine PAM-Sequenz liegen. PAM steht für Protospacer Adjacent Motif. Diese ist aber nur drei Nukleinsäuren lang, so dass die Wahrscheinlichkeit, dass sie in der Nähe auftritt nicht so gering ist. Im Zellkern erkennt die Guide-RNA die Zielsequenz und bindet an diese. Dabei ist eine Bindung an DNA kein Problem, weil sich die beiden Nukleinsäuren sehr ähnlich sind. Schließlich kommt Cas9 zum Einsatz und schneidet die Zielsequenz an der gewünschten Stelle durch. Das führt zu im Falle der DNA zu einem Doppelstrangbruch. Dieser macht das dort kodierte Gen funktionslos. Es gibt zwar spezielle Reparaturenzyme im Zellkern, deren Aufgabe es ist, Strangbrüche zu reparieren. Doch arbeiten diese nicht sehr gründlich, so dass das ehemals kodierte Gen meist nicht mehr lesbar ist. Mit dem CRISPR-Komplex lassen sich aber nicht nur Gene durch Schneiden ausschalten. Mittlerweile lassen sich neue Sequenzen einfügen, die das Gen verändern oder es werden zusätzliche Merkmale eingebracht. Das ist dann Gene Editing oder Genome Editing, je nachdem wie tiefgreifend und dauerhaft die Änderung ist.

 

 

Sind Krankheiten damit Schnee von gestern?

 

Dabei ist allerdings zu bedenken, dass die Herstellung von CRISPR/Cas9 und die Einbringung in den Zellkern mit den üblichen Methoden der Molekularbiologie geschieht. Für die Klassifizierung eines Organismus als GVO ist das durchaus von Bedeutung. Außerdem macht auch dieses präzise System Fehler. Und es stammt aus Bakterien. Kritiker befürchten, dass bei einem Einsatz am Menschen die Immunabwehr darauf reagieren könnte und es zu katastrophalen Zwischenfällen kommen könnte.

Derweil wird in China bereits angeblich an menschlichen Embryonen geforscht. Das wirft einige ethische Fragen auf.

In den USA ist kürzlich der erste Mensch mit einem ähnlichen System behandelt worden und hat die Genschere direkt ins Blut bekommen. Der Patient soll damit von einer sehr seltenen Erbkrankheit, dem Hunter-Syndrom geheilt werden. Ob das erfolgreich war, wird sich erst in den nächsten Monaten zeigen.

Die Aufbruchstimmung ist in jedem Fall gross. So können allein durch das Ausschalten von Genen Erkenntnisse über Angriffspunkte für Arzneimittel gewonnen werden. Auch in der Pflanzenzucht hofft man auf gezielte und schnelle Züchtung von Resistenzen gegen Schädlinge und Krankheiten. Fast jeden Tag gibt es neue Kombinationen und Anwendungsmöglichkeiten für CRISPR/Cas9. Es ist ein großer Umbruch in der Technologie. Seine Bedeutung steht dem der Digitalisierung in nichts nach. Es ist ein Umbruch der sehr viel Gutes im Gepäck hat, aber der auch eine differenzierte ethische Betrachtung bekommen sollte.

 

 

 Anm. der Redaktion: Der satanarchäolügenialkohöllische Wunschpunsch ist ein Kinderbuch von Michael Ende.