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CRISPR krempelt die Wissenschaft um

Für die Exzellenzcluster CECAD und CEPLAS ist die »Genschere« bereits Alltag

Bei den Kölner Exzellenzclustern CECAD (Alternsforschung) und CEPLAS (Pflanzenforschung) ist die Technik CRISPR/CAS9 bereits Alltag. Sie nährt die Hoffnung auf Heilung genetischer Erkrankungen und verspricht schnellere Erfolge für neue Kulturpflanzen, die dem Klimawandel trotzen.

Als vor Milliarden Jahren Bakterien und Einzeller den Planeten bevölkerten, dachte wohl noch niemand an Gentechnik – denn höheres Leben gab es noch nicht. Auch für Bakterien ging es aber schon um Leben und Tod. Eine große Gefahr für sie waren schon damals Viren, die Bakterien befielen und zur eigenen Vermehrung und Verbreitung nutzten. Ein fortwährender Kampf begann, und die Bakterien entwickelten einen Schutzmechanismus: CRISPR/Cas.

Dieses »Immunsystem« hilft den Bakterien DNAFragmente von Viren zu zerlegen und im eigenen Genom zu speichern. Bei einem erneuten Befall des gleichen Feindes können sie ihn erfolgreich bekämpfen. Vor wenigen Jahren kamen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf die Idee den neu verstandenen Mechanismus als molekularbiologisches Werkzeug einzusetzen. CRISPR/CAS9 wurde als »Genschere« bekannt und das Zeitalter des »Genome Editing«, der Genom-Chirurgie, begann. Erstmals war es möglich das Erbgut schnell und mit nie da gewesener Präzision zu ändern. Und das nicht nur bei Bakterien, sondern bei allen lebenden Zellen – egal ob menschlichen, tierischen oder pflanzlichen Ursprungs.

In drei Schritten zum Genome Editing

Im Prinzip läuft das Verfahren in drei Stufen ab. Die Zielsequenz, das Gen, das verändert werden soll, muss in den Millionen oder Milliarden Basenpaaren gefunden werden. Dazu wird eine Sonde konstruiert: die Guide-RNA. Findet diese Sonde ihr Ziel, dockt sie am DNA-Strang an und nutzt im nächsten Schritt ihre Schere – das Protein CAS9 – um den Strang zu durchtrennen. Die zelleigenen Reparatursysteme versuchen im Anschluss den Doppelstrangbruch wieder zu beheben, wobei aber teilweise Fehler unterlaufen. Diese sorgen dann für die Inaktivierung des Ziel- Gens. In diesem dritten Schritt ist neben der Reparatur auch der Einbau anderer DNA-Sequenzen oder einzelner Basenpaare möglich.

Im Alltag der Forscher und Forscherinnen am Exzellenzcluster CECAD für Alternsforschung spielt CRISPR eine wichtige Rolle. Sie untersuchen hier die molekularen Grundlagen von Krankheiten, die vor allem im Alter auftreten: Neurodegenerative Erkrankungen wie Morbus Alzheimer, kardiovaskuläre Erkrankungen, Krebs, Diabetes oder Niereninsuffizienz. Der Nierenforscher Professor Dr. Bernhard Schermer forscht auf letzterem Gebiet. Für ihn ist mit CRISPR ein lang gehegter Traum in Erfüllung gegangen: »Von der Möglichkeit präzise, schnell und kostengünstig in den genetischen Bauplan eingreifen zu können, habe ich schon seit zwanzig Jahren geträumt.« Die Methode eröffnet viele neue Möglichkeiten in der Grundlagenforschung wie in der angewandten Medizin. Um die Funktion eines Gens zu verstehen, wird es klassischerweise in Zellen oder Modellorganismen »ausgeschaltet«. Alternative werden Mutationen eingefügt, die mit Krankheiten assoziiert sind oder molekulare Funktionen modulieren. Danach können die Wissenschaftler die Folgen untersuchen. Eine Maus-Linie mit ausgeschaltetem Gen für die Forschung zu züchten, dauerte früher bis zu zwei Jahre und kostete mehrere Zehntausend Euro. CRISPR verkürzt den Prozess auf wenige Wochen.

Darf die Genschere am Menschen eingesetzt werden?

Der Fortschritt der Methode ist atemberaubend. Allerdings ist das Tempo der Wissenschaft so schnell, dass Gesellschaft, Politik und Gesetzgebung kaum hinterherkommen. Ende November 2018 sorgte der chinesische Wissenschaftler He Jiankui mit der Meldung für Aufsehen – und Entsetzen –, er habe zum ersten Mal mithilfe von CRISPR das Erbgut zweier Babys, die in China zur Welt kamen, manipuliert. Er habe sie damit gegen HIV, das Virus, das AIDS verursacht, immun gemacht. Das solle in Zukunft infizierten Eltern ermöglichen gesunde Kinder zu bekommen. Noch fehlt der unabhängige Nachweis, dass tatsächlich Genome Editing in den Zwillingen durchgeführt wurde. Die Einwände waren jedoch vielfältig: Unter anderem sei dies unnötig, da die Übertragung von HIV medikamentös bereits verhindert werden kann. Es besteht also gar keine absolute Notwendigkeit, die den Einsatz einer risikobehafteten Technologie rechtfertigen würde. Den Daten zufolge, die von He Jiankui Ende November in Hongkong präsentiert wurden, war zudem nur einer der beiden Zwillinge erfolgreich editiert. Auch Bernhard Schermer war von dem Vorstoß des chinesischen Forschers schockiert: »Wir brauchen weltweit Regeln, die den Einsatz von CRISPR beim Menschen regeln und wir brauchen eine breite gesellschaftliche Diskussion. Das sind keine Fragen, die sich national klären lassen.« Dabei verweist er auch auf eine kürzliche Empfehlung des Deutschen Ethikrates.

Dennoch ist es nicht einfach, eine eindeutige Stellung zu CRISPR zu beziehen. Das medizinische Potential ist gewaltig – auch ohne Eingriff in die Keimbahn des Menschen. Genome Editing erlaubt auch zielgerichtete genetische Korrekturen an somatischen Zellen unseres Körpers. Die Keimzellen bleiben davon unberührt. Hier ist aber das größte Problem, die Zutaten für Genome Editing zielgerecht in das jeweilige Organ oder Gewebe zu übertragen. Dies ist mit Sicherheit eine der größten Herausforderungen für die Zukunft. Einen Vorteil hat man da bei hämatologischen, also das Blut betreffenden Erkrankungen, bei denen man Stammzellen aus dem Knochenmark entnehmen kann. Diese werden dann im Labor, editiert und anschließend dem Patienten zurückgegeben. Im Fall der sogenannten beta-Thalassämie und der Sichelzellanämie, die beide durch Mutationen im Gen für den roten Blutfarbstoff (Hämoglobin) ausgelöst werden, laufen hier bereits erste klinische Studien.