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Die Gen-Schere Crispr/Cas hat das Potential, die Medizin und auch die Landwirtschaft zu revolutionieren: Genetische Erkrankungen könnten zukünftig geheilt werden und Agrarpflanzen würden resistent gegenüber Schädlingen sein und mehr Ertrag erbringen. Doch wie funktioniert dies? Und welche negativen Folgen könnten entstehen? Dieser Beitrag gibt einen Überblick über die von Emmanuelle Charpentier und Jennifer Doudna im Jahr 2012 entdeckte Gen-Schere Crispr/Cas und ihre Anwendungsmöglichkeiten sowie ihre Chancen und Risiken.

von Anna Caroline Hein

Die Entdeckung der Gen-Schere Crispr/Cas durch Emanuelle Charpentier und Jennifer Doudna wurde 2012 im Fachjournal Science veröffentlicht. Seitdem hat sich viel getan – die Forscherinnen Charpentier und Doudna werden für einen Nobel­preis gehandelt und die Forschung mit Crispr/Cas hat rasant zugenommen. Entdeckt wurde dieses molekulare Werkzeug, welches das Erbgut von Pflanzen, Tieren und Menschen verändern kann, durch Grundlagenforschung an Bakterien. Die Anwendungsgebiete hingegen gehen weit über die Grundlagenforschung hinaus und könnten potentiell jeden erreichen. Doch zuerst: Was ist eigentlich Crispr/Cas genau?

Die Gen-Schere Crispr/Cas

Es handelt sich um die Moleküle Crispr* und Cas*, die von Bakterien hergestellt und genutzt werden, um sich gegen Viren* zur Wehr zu setzen. Crispr sind DNA*-Abschnitte im Bakteriengenom, welche die Information für Crispr-RNA* beinhalten. Diese Crispr-RNA ist für die Bakterien zur Erkennung von Viren-DNA wichtig. Cas ist ein Protein, welches gemeinsam mit der Crispr-RNA zum Zerschneiden der Viren-DNA führt. Diese Einheit aus Crispr-RNA und Cas-Protein erkennt also die fremde Viren-DNA und macht sie durch das Zerschneiden unschädlich und stellt somit eine Art Immunsystem der Bakte­rien auf molekularer Ebene dar.

Weiterentwicklung der Gen-Schere zum universellen Werkzeug

Diese Entdeckung der Gen-Schere wurde weiterentwickelt, sodass jetzt ein universelles Werkzeug zum Verändern der DNA von Pflanzen, Tieren und Menschen zur Verfügung steht. Wichtig ist hierbei die RNA-Sequenz der Crispr-RNA, die beliebig von Forschern hergestellt werden kann. Diese Sequenz bestimmt den Zielort der Gen-Schere im Genom*. So ist es nun möglich, die Gen-Schere an die gewünschten Stellen der DNA zu leiten. Hier angekommen, können nun Abschnitte der DNA entfernt oder geändert werden und es können zusätzliche DNA-Abschnitte hinzu­gefügt werden. Die Gen-Schere kann ­somit heutzutage für alle gewünschten Anwendungen programmiert werden. Neben der Genom-Editierung* durch Crispr/Cas ist dies auch mit folgenden Nukleasen* möglich: Talen-, Zinkfinger­Nukleasen und Mega-Nukleasen. Im Gegensatz zu diesen ist das Crispr/Cas-Werkzeug aber effizienter, da es kostengünstiger, schneller herzustellen und einfacher zu nutzen ist.

Hoffnung für die Heilung von Krankheiten

Ein Anwendungsgebiet der Gen-Schere ist die Medizin – besonders Menschen mit Erbkrankheiten hoffen auf Heilung. Beispielsweise könnten genetische Erkrankungen wie Mukoviszidose und Muskeldystrophie mit der Gen-Schere therapiert werden. Bei diesen Erkrankungen liegen Mutationen im Genom vor, welche bis heute nicht ursächlich mit Medikamenten behandelt werden können. Die Gen-Schere jedoch könnte die Mutationen besei­tigen und korrigieren. Eine Problematik liegt aber in der Verabreichungsform der Gen-Schere. Es ist noch nicht abschließend gelöst, wie die Gen-Schere zu den betroffenen Zellen gelangen kann. Beispielsweise könnte die Gen-Schere bei Muskelerkrankungen direkt in das Muskelgewebe injiziert werden oder es wird ein Weg über die Blutbahn gewählt. Außerdem ist ein Transportvehikel für die Gen-Schere nötig, da ansonsten die Einheit aus Crispr und Cas, zum Beispiel von Immunzellen in der Blutbahn, zerstört werden würde. Weiterhin gibt es auch das Risiko, dass die Gen-Schere an anderen als der programmierten Stelle im Genom schneiden könnte. Die Folgen hiervon sind nicht absehbar. Das heißt, die Gen-Schere muss noch sicherer gemacht werden und weitere Forschung ist nötig, bis sie als Therapie für den Menschen anwendbar ist. Es gibt aber bereits erste Studien an Zellen und Tieren, in denen das Crispr/Cas-System für die Therapie von Sichelzellenanämie und HIV (Humanes Immundefizienz-Virus) getestet wird.

Designerbabys durch Crispr/Cas?

Neben der Hoffnung auf Heilung bestimmter Erkrankungen gibt es aber auch die Furcht vor der Anwendung der Gen-­Schere in Keimbahnzellen. Damit ist die Veränderung von Genen nicht nur beispielsweise in Muskelzellen gemeint, sondern in den Eizellen und Spermien. Das hätte zur Folge, dass die Veränderungen im Erbgut an die folgenden Generationen weiter­gegeben werden: Der Mensch greift in die Evolution der eigenen Art ein. Hier fordern Ethiker, dass nicht die Wissenschaftler entscheiden, welche Forschung weiter vorangetrieben wird, sondern dass auch die Gesellschaft miteinbezogen wird. Durch Gesetze könnte die Anwendung der Gen-Schere reguliert werden, damit keine Designerbabys nach Wunsch der Eltern entstehen. Wenn befruchtete Eizellen durch Crispr/Cas verändert würden, dann würden auch hier die Veränderungen an die Nachfolgegenerationen weitergegeben werden. In Deutschland ist dies durch das Embryonenschutzgesetz verboten: Das menschliche Erbgut darf nicht künstlich verändert werden. Jedoch sieht die Rechtslage in anderen Ländern anders aus. Zum Beispiel ist in Großbritannien Forschung an gesunden, befruchteten Eizellen vom Menschen mit Crispr/Cas erlaubt. Allerdings muss hier die Entwicklung der Eizelle nach spätestens 14 Tagen gestoppt werden – somit ist das Einsetzen von mit Crispr/Cas genetisch veränderter, befruchteter Eizellen in die Gebärmutter nicht erlaubt.

Neue Superpflanzen durch Crispr/Cas?

Ein weiteres Anwendungsgebiet der Gen­Schere ist die Züchtung von Agrarpflanzen mit neuen Eigenschaften. Es könnten neue Sorten von Reis gezüchtet werden, die Dürre besser vertragen können, oder Weizensorten, die gegen bestimmte Schädlinge resistent sind. Der Wunsch nach Agrarpflanzen mit höherem Ertrag und einer höheren Widerstandsfähigkeit gegen Schädlinge und veränderte Klima­bedingungen würde der Menschheit zu Gute kommen. So könnte beispielsweise weniger chemische Dünger verwendet werden. Weniger Wasserverbrauch würde zu mehr Nachhaltigkeit unserer Ressourcen beitragen. In der Landwirtschaft gibt es schon gentechnisch veränderte Pflanzen, die mittels anderer Verfahren als Crispr/Cas hergestellt werden. Diese als GVO (gentechnisch veränderter Organismus) gekennzeichneten Pflanzen werden jedoch kritisch betrachtet und ihre Zulassung ist sehr kostspielig. Was ist aber der Unterschied zwischen diesen gentechnisch veränderten Pflanzen und den durch Crispr/Cas veränderten?

Sind Crispr/Cas-Pflanzen GVOs oder nicht?

Bei transgenen Pflanzen (eine Art der gentechnisch veränderten Pflanzen) wird artfremde DNA in die Pflanzen eingebracht. So entstehen auch Pflanzen mit neuen Eigenschaften wie beispielsweise höherem Ertrag oder Resistenzen gegenüber Schädlingen. Bei diesen Pflanzen kann diese Fremd-DNA nachgewiesen werden. Außerdem kann sich die Fremd-DNA nach dem Zufallsprinzip in die pflanzeneigene DNA integrieren. Bei dieser nicht gesteuerten Integration können andere Gene zerstört werden und es könnten unvorhergesehene Nebenwirkungen entstehen. Deshalb müssen Hersteller dieser Pflanzen nachweisen, dass sie weiterhin sicher sind – dies ist kostspielig und nur für große Unternehmen möglich. Bei der Crispr/Cas-Methode hingegen können gezielt die DNA-Abschnitte erreicht werden, an denen Änderungen entstehen sollen. Weiterhin ist die genetische Manipulation mit Crispr/Cas in den Pflanzen nicht nachweisbar (solange keine Fremd-DNA eingebracht wird): Die genetische Veränderung könnte auch durch natürliche Mutation oder Kreuzungen entstanden sein. Das heißt, das Produkt enthält keine Hinweise, dass es durch Gentechnik entstanden ist und nicht durch einen natürlichen Prozess so wie seit Jahrhunderten Pflanzen gezüchtet werden. Neben der wissenschaftlichen Betrachtungsweise bedarf es auch einer rechtlichen Einordnung von Crispr/Cas-Pflanzen. So hat der Europäische Gerichtshof (EuGH) im Juli 2018 entschieden, dass durch Crispr/Cas veränderte Pflanzen wie GVOs behandelt und reguliert werden müssen. Dies ist für die Landwirtschaft von großer Bedeutung, da nun lange Zulassungsverfahren für Crispr/Cas-Pflanzen durchlaufen und ihre Produkte als gentechnisch verändert gekenn­zeichnet werden müssen.

Ist Crispr/Cas nun eine Sternstunde der Wissenschaft?

Inwiefern sich die Hoffnungen bezüglich der Heilung von Krankheiten mit Crispr/Cas erfüllen und ob unvorhergesehene Nebenwirkungen auftreten, lässt sich zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht klären. Auch lässt sich nicht ausschließen, dass die Anwendung von Crispr/Cas in der Landwirtschaft Gefahren birgt. Jedoch ist an dieser Stelle eine ehrliche Debatte nötig, inwiefern dies nicht auch für andere, bereits angewandte Methoden in der Pflanzenzüchtung gilt, besonders für die Veränderung des Erbguts der Pflanzen mittels Chemikalien und radioaktiver Strahlung. Es kann nur die Zeit zeigen, ob sich die mit dieser Technik verbundenen Hoffnungen erfüllen und ob sich die Medizin und die Landwirtschaft tatsächlich durch Crispr/Cas revolutionieren lassen. In jedem Fall ist das Potential dieser ­Methode riesengroß und die künftigen Entwicklungen können mit Spannung erwartet werden.

 

*CRISPR

Crispr ist die Abkürzung für „clustered regularly interspaced short palindromic repeats“. Dieser eher komplizierte Name beschreibt, wie die Crispr-DNA-Abschnitte aufgebaut sind: Sie bestehen aus Wiederholungen („repeats“) und dazwischen liegenden variablen Regionen („spacer“). Die Wiederholungen sind palindromisch aufgebaut, welches bedeutet, dass diese DNA-Abschnitte sich spiegelverkehrt wiederholen. Ein vergleichbares Beispiel aus der Sprache ist das Wort „Reittier“, welches vorwärts sowie rückwärts gelesen dasselbe Wort ergibt.

*CAS

Cas ist die Abkürzung für „Crispr-associated“ und diese Bezeichnung zeigt auf, dass die Cas-Gene in der Nähe der Crispr-Sequenzen in der DNA lokalisiert sind.

*VIREN

Viren sind Partikel, die ihre Erbinformation in DNA oder auch RNA speichern können. Weiterhin besitzen sie eine Hülle aus Proteinen, jedoch haben sie keinen eigenen Stoffwechsel und können sich nicht eigenständig vermehren. Deshalb werden sie nicht zu den Lebewesen gezählt. Um sich zu vermehren, befallen sie eine Wirtszelle, deren Stoffwechsel sie ausnutzen, um ihre Erbinformation zu vervielfältigen und neue Hüllproteine herstellen zu lassen. Die Wirtszellen können je nach Virus Bakterien, aber auch pflanzliche, tierische oder menschliche Zellen sein.

*DNA

Die DNA (= „deoxyribonucleic acid“, deutsch: DNS = Desoxyribonukleinsäure) trägt die genetische Information eines Organismus.

*RNA

RNA (= „ribonucleic acid“, deutsch: RNS = Ribonukleinsäure) ist chemisch sehr ähnlich wie DNA aufgebaut, jedoch dient sie nur bei einigen Virenarten als Erbinformationsträger. RNA erfüllt in Zellen unterschiedliche Funktionen: Unter anderem hilft RNA bei der Übersetzung der genetischen Information in Proteine, aber auch andere Aufgaben wie beispielsweise die Viren-DNA-Erkennung im Crispr/CAS-System werden von RNA ausgeführt.

*GENOM

Genom ist ein anderer Ausdruck für Erbgut. Unter Genom wird die gesamte Erbinformation verstanden.

*GENOM-EDITIERUNG

Unter Genom-Editierung, auch Genom-Bearbeitung oder Genom-Chirurgie genannt, wird die gezielte Veränderung des Genoms bei Pflanzen, Tieren und Menschen verstanden.

*NUKLEASEN

Nukleasen sind Enzyme (= bestimmte Art von Proteinen), die DNA zerschneiden können. Die Nukleasen Talen (= „Transcription activator-like effector nuclease“), Zinkfinger- und Mega-Nukleasen erkennen die DNA-Sequenz, an der sie schneiden sollen, mit Hilfe eines Proteinanteils und nicht wie bei Crispr/Cas mit Hilfe einer RNA-Sequenz.

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