CRISPR – ein mächtiges Tool zur genetischen Manipulation

CRISPR bzw. CRISPR/Cas ist ein der Natur abgeschautes Werkzeug zur Manipulation von Erbgut.

CRISPR bedeutet „clustered regularly-interspaced short palindromic repreats“. Es handelt sich bei CRISPR um Segmente prokaryotischer RNA, welche kurze sich wiederholende Basensequenzen enthalten. Die genauere Bezeichnung ist CRISPR/Cas, wobei Cas „CRISPR assoziiertes System“ bedeutet. Mit seiner Hilfe kann Erbgut relativ einfach verändert werden. Nach seiner Entdeckung steht es inzwischen als Werkzeug zur Modifikation von jedwedem Genom zur Verfügung und hat in Forschung und pharmazeutischer Industrie eine extrem hohe Bedeutung erlangt.

Evolutionäre Bedeutung


CRSPR/Cas funktioniert als ein adaptives Immunsystem in Bakterien und Archaea. Um „Angreifer“, beispielsweise Viren, abwehren zu können, bedarf es eines Systems von Abwehrmechanismen, unter denen die Fähigkeit einer Erinnerung an vorangegangene Angriffe zur Beherrschung wiederkehrender Infektionen eine zentrale Bedeutung innehat. CRISPR/Cas besitzt die Fähigkeit, DNA-Sequenzen von Angreifern zwischen den sich wiederholenden Sequenzen des CRISPR-Arrays in Form von „Spacern“ zu integrieren und so zu behalten. Mit deren Hilfe ist es der Zelle möglich, über Cas-Nukleasen bei erneuter Infektion gezielt erneut eingedrungene DNA zu spalten 1)Mol Microbiol. 2014 Jul;93(1):1-9. doi: 10.1111/mmi.12640.. Dies hat einen entscheidenden Überlebensvorteil für diejenigen Bakterien gehabt, die solch ein Erinnerungs- und Abwehrsystem besitzen.


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Was wichtig ist


Kurzgefasst
Biochemiker in Berkeley haben in Prokaryoten ein System entdeckt, das sie vor Viren schützt: CRISPR/Cas. Zwischen Bakterien und Phagen existiert seit Jahrmillionen ein „Krieg“, bei dem Phagen ihre Erbinformationen in Bakterien einschleusen und heimlich in deren Genom integrieren. Als Abwehrmechanismus haben Bakterien das CRISPR-System entwickelt, was extrem effektiv die integrierte DNA wieder heraus schneidet.

Das System ist jetzt so gut bekannt, dass mit seiner Hilfe jedes beliebige Schnipsel quasi fehlerfrei gespeichert und ohne großen Aufwand aus jedem DNA-Strang entfernt werden kann. Chinesische Forscher haben so schon 2015 erfolgreich das Genom nicht überlebensfähiger menschlicher Embryonen verändert. Die CRISPR/Cas-Methode funktioniert also prinzipiell auch am menschlichen Erbgut.

Eine segensreiche Anwendung wäre die Entfernung von Genen, die zu Krankheiten prädisponieren, z. B. von Onkogenen wie BRCA-1, das die Bereitschaft für Brustkrebs erhöht. Die Manipulation von überlebensfähigen Eizellen ist auch nur noch eine Frage der Zeit, und dann wird man fortpflanzungsfähige „mutierte“ Menschen geschaffen haben. Eine Anwendung in der Präimplantationsmedizin funktioniert bereits.

Eine weitere Anwendung ist die Speicherung von beliebigen Informationen in z. B. bakterieller DNA. Auch dies ist bereits geglückt. Erste faszinierende Beispiele zeigen die Speicherung von Bildern und sogar kleiner Filmsequenzen (siehe hier).

Ein riesiges Problem ist das mit der Methode aufgekommene Missbrauchspotential. Die Lawine rollt so schnell, dass Ethik und Politik wieder weit hinterher hinken. Eine der Erfinderinnen schildert, wie sie das erlebt hat und welche Implikationen sie sieht, in einem Nature-Artikel zur Entwicklung der CRISPR-Methode 2)Nature. 2015 Dec 24;528(7583):469-71. (Zum Bericht siehe hier).


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Prinzip

CRISPR stellt ein mächtiges Werkzeug dar, mit dem das Erbgut von Lebewesen und Viren tief greifend manipuliert werden kann. Definierte DNA-Schnipsel können mit CRISP/Cas in DNA (als Spacer, s. o.) eingefügt und aus jedwedem Genom auch herausgeschnitten und entfernt werden 3)Nucleic Acids Res. 2013 Apr;41(7):4336-43 4)Plant Methods. 2016 Jan 28;12:8 5)Viruses. 2016 Mar 7;8(3). pii: E72. doi: 10.3390/v8030072. 6)Science. 2014 Nov 28;346(6213):1258096. doi: 10.1126/science.1258096. 7)J Gen Virol. 2015 Mar;96(Pt 3):626-36 8)Genomics Proteomics Bioinformatics. 2015 Dec;13(6):336-44.

Anwendungen

Die meisten Untersuchungen mit CRISPR finden an Pflanzen, Bakterien und Tiermodellen statt.

Was die medizinische Forschung betrifft, so werden meist Tiermodelle eingesetzt. Beispielsweise sind mit Hilfe der CRISPR-Thechnik Leptin-knock-out-Mäuse hergestellt worden, die zur Diabetes-Forschung dienen sollen 9)Sci Rep. 2015 Nov 5;5:15942. doi: 10.1038/srep15942. Experimente zur genetischen Heilung autistischer Affen sind in Planung, bei denen die Entfernung des bekannten prädisponierenden Gens (MECP2) aus dem Genom dazu führen soll, dass Risiko zu autistischem Verhalten reduziert wird 10)Nature. 2016 Jan 28;529(7587):449. doi: 10.1038/529449a. Es lassen sich genetisch definierte Tumore herstellen, die als Krebsmodelle dienen können 11)Front Genet. 2016 Feb 29;7:28. doi: 10.3389/fgene.2016.00028.

Eine Anwendung in der Medizin, z. B. zur Bereinigung des menschlichen Genoms eines bestimmten belasteten Menschen von Krankheitsgenen, z. B. von Onkogenen, bietet sich an. Denn auch das menschliche Erbgut lässt sich mit der CRISPR-Technik manipulieren 12)Proc Natl Acad Sci U S A. 2015 Dec 22; 112(51): E7110–E7117 13)Genome Biol. 2013 Feb 26;14(2):107. doi: 10.1186/gb-2013-14-2-107.  Männliche Infertilität und Erbkrankheiten können perspektivisch geheilt werden 14)Fertil Steril. 2016 Feb;105(2):256-66 15)Kang X et al. J Assist Reprod Genet. 2016 Apr 6. [Epub ahead of print]. Untersuchungen einer chinesischen Gruppe zur Manipulation am ß-Globin-Gen an menschlichen Präimplantationsembryonen (nicht lebensfähige Embryonen im 3PN-Stadium) verliefen viel versprechend 16)Protein Cell. 2015 May;6(5):363-72. Eine andere chinesische Gruppe zeigte, dass menschliche pluripotente Stammzellen von einem tauben Patienten durch Korrektur von iPSCs (CP-iPSCs) genetisch geheilt werden konnten, wobei sie ihre Pluripotenz behielten 17)Stem Cells Transl Med. 2016 Mar 24. pii: sctm.2015-0252..

Bakterielle DNA als Informationsspeicher

Inzwischen ist es mit Hilfe der CRISPR-Cas-Technik gelungen, beliebige Informationen in bakterielles Erbgut einzubauen. Damit erweist sich bakterielle DNA als potenzieller Informationsspeicher, der sogar von Generation zu Generation weitgehend fehlerfrei weitergegeben wird. Spektakuläre Beispiele sind die Speicherung von Bildern und kleiner Videosequenzen 18)Nature. 2017 Jul 12. doi: 10.1038/nature23017 (zur Veröffentlichung mit der Videosequenz siehe hier).

Ethische Debatte

Missbrauchspotenzial

Die Technik, mit der mit Hilfe von CRISPR Erbgut manipuliert werden kann, besitzt das Potenzial zu erheblichem Missbrauch. Sie kann sowohl im Agrarbereich als auch in der Medizin Umwälzungen herbeiführen, die sich nicht nur günstig und segensreich, sondern auch schädlich oder gar fatal auswirken, und deren Ingangsetzung nicht umkehrbar ist.

Es können neue Spezies geschaffen und wahrscheinlich ausgestorbene rekonstruiert werden. Was den Menschen betrifft, so wird man körperliche, geistige und psychische Eigenschaften verbessern oder an einen Bedarf anpassen können. Sciencefiction wird Realität.

Die dadurch entstehende ethische Problematik der Forschungsrichtung wird nur langsam realisiert. Während die öffentliche Diskussion dazu erst beginnt, werden bereits Untersuchungen in neue Richtungen hinein durchgeführt. Auch wenn jede einzelne Untersuchung ethisch unproblematisch sein wäre, so kann ihr Ergebnis im Zusammenhang mit Fortschritten an anderen Fronten dazu führen, dass auch ethisch nicht verantwortbare Entwicklungsrichtungen möglich und eingeschlagen werden

Die neue Technik birgt hohe Sprengkraft. Weder einzelne Forscher noch gar die nachhinkenden Ethiker können mit der zunehmenden Geschwindigkeit der Neuerungen Schritt halten. Die Frage, ob gemacht werden darf, was gemacht werden kann, stellt sich angesichts der Möglichkeiten der CRISPR-Technik elementar 19)Mil Med Res. 2015 Oct 15;2:25. doi: 10.1186/s40779-015-0054-1. Einzelnen Forschern wie auch Ländern, in denen die Forschung vorwärts getrieben wird, wird bereits ein Mangel an ethischem Bewusstsein vorgeworfen 20)Dev World Bioeth. 2016 Jan 21. doi: 10.1111/dewb.12108.. Der Wildwuchs bereitet Forschern, denen die Sprengkraft der Methode bewusst geworden ist, schlaflose Nächte 21)Nature. 2015 Dec 24;528(7583):469-71.

Moratorium für die CRISPR-Forschung?

Um mit der ethischen Aufarbeitung nachkommen zu können und inakzeptablen Fehlentwicklungen vorzubeugen, wurde ein Moratorium für die CRISPR-Forschung vorgeschlagen. Die UN warnt vor eugenischen Eingriffen in menschliche DNA 22)http://www.un.org/apps/news/story.asp?NewsID=52172. Die Diskussion um solch ein Moratorium wird innerhalb der an der CRISPR-Forschung beteiligten Wissenschaftler sehr kontrovers diskutiert. Ein klarer Standpunkt zu einem den Menschen direkt betreffenden Aspekt wurde in Nature unter der Überschrift „Don’t edit the human germ line“ veröffentlicht 23)Nature. 2015 Mar 26;519(7544):410-1.

Ein großes Problem besteht darin, dass sich Forscher bereits die Methode zur Manipulation von Genen in menschlichen Embryonen haben lizenzieren lassen 24)Nature. 2016 Feb 4;530(7588):18. doi: 10.1038/nature.2016.19270 und die Industrie die CRISPR-Technik längst in der Hand hat und die Forschung ohne Kontrolle durch die offene wissenschaftliche Welt weiter vorwärts treiben kann. Es wird spekuliert: „Where in the world could the first CRISPR baby be born?“ 25)http://www.nature.com/news/where-in-the-world-could-the-first-crispr-baby-be-born-1.18542 Als akute Gefahr wird erkannt, dass “Biohackers gear up for genome editing. Amateurs are ready and able to try the CRISPR technique for rewriting genes“ 26)http://www.nature.com/news/biohackers-gear-up-for-genome-editing-1.18236 . Viele Wissenschaftler sind der Meinung, dass unter dieser Perspektive die Freiheit der Forschung überdacht werden muss und ein Moratorium gerechtfertigt sei.

Es kommen bereits erste Ideen zur Regulierung solch einer Forschung auf 27)Am J Bioeth. 2015;15(12):25-9. Sie sind allerdings noch erheblich umstritten. Es gibt starke Gegenstimmen durch Befürworter einer freien Forschung, die gegen eine Einschränkung der Forschung mit CRISPR an Stammzellen auftreten: „Banning human-germline editing could put a damper on the best medical research and instead drive the practice underground to black markets and uncontrolled medical tourism“ 28)Nature. 2015 Dec 3;528(7580):S7. doi: 10.1038/528S7a. Eine weitere Stimme schlägt vor: „Rather than a call to a generalized moratorium, or banning, of this type of research, efforts should be placed on establishing an open, international, collaborative and regulated research framework”. Die Autoren meinen, dass „Equally important, a societal discussion on the risks, benefits, and preferred applications of the new technology, including all relevant stakeholders, is urgently needed” 29)Vassena R et al. Hum Reprod Update. 2016 Feb 29. pii: dmw005. [Epub ahead of print].

Notwendigkeit einer öffentlichen Debatte

Die Öffentlichkeit und die Politik sollten nach Auffassung vieler Forscher ausführlich über das Potenzial und das Missbrauchspotenzial informiert und in die Debatte um die ethische Verantwortbarkeit der CRISPR-Forschung eingebunden werden 30)Vassena R et al. Hum Reprod Update. 2016 Feb 29. pii: dmw005. [Epub ahead of print] 31)Nature. 2015 Dec 24;528(7583):469-71.


Wir möchten mit den Informationen dieser Seite dazu beitragen, die Diskussion über die „Risiken, Vorteile und bevorzugten Anwendungen“ der CRISPR-Technologie in der Gesellschaft zu verbreiten!


Verweise

 

 

Literatur   [ + ]

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2, 21, 31. Nature. 2015 Dec 24;528(7583):469-71
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4. Plant Methods. 2016 Jan 28;12:8
5. Viruses. 2016 Mar 7;8(3). pii: E72. doi: 10.3390/v8030072.
6. Science. 2014 Nov 28;346(6213):1258096. doi: 10.1126/science.1258096.
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28. Nature. 2015 Dec 3;528(7580):S7. doi: 10.1038/528S7a
29, 30. Vassena R et al. Hum Reprod Update. 2016 Feb 29. pii: dmw005. [Epub ahead of print]