CRISPR/Cas verändert das Erbgut – in Bakterien und Menschen

Die Genschere CRISPR/Cas schützt Bakterien vor dem Befall durch Viren. Forscher nutzen sie, um das Erbgut von Menschen, Tieren und Pflanzen fast beliebig zu verändern.

30. Juni 2026

Gen-Schere CRISPR/Cas9

Im Jahr 1987 machten japanische Forscher eine merkwürdige Entdeckung: Im Erbgut von Bakterien stießen sie auf Bereiche, in denen sich einzelne DNA-Abschnitte ständig wiederholten. Jahre später entstand daraus eine Methode, die heute weithin bekannt ist. Die sich wiederholenden Bereiche, nun CRISPR genannt, erlauben die präzise Manipulation der Erbinformation.

Zusammen mit einem Enzym namens Cas9 können die CRISPR-Sequenzen jedes Gen auf fast beliebige Weise verändern. Einzelne DNA-Buchstaben werden ausgetauscht, Teile des Gens gelöscht oder durch neue Bereiche ergänzt. Und das mit einer Effizienz und Leichtigkeit, von der Forscher zuvor nur zu träumen wagten.

Die Folgen sind weitreichend, vor allem Forschung und Medizin profitieren von den neuen Möglichkeiten. Andererseits haben Eingriffe in das Erbgut von Pflanzen und Tieren auch Kritik ausgelöst. Einige Anwendungen, wie die „CRISPR-Babys” und der Gene Drive, sind sogar höchst umstritten.

Inhalte

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Seltsame DNA-Sequenzen

In den 1980er Jahren hatte nur wenig auf diese folgenreiche Entwicklung hingedeutet. Forscher wunderten sich zwar über den seltsamen Aufbau dieser DNA-Sequenzen, aber einen Sinn konnten sie darin nicht erkennen. Als Namen wählten sie daher einen Begriff, der nur eine Aufzählung von Eigenschaften ist: „clustered regularly interspaced short palindromic repeats“ – abgekürzt CRISPR.

Erst im Jahr 2005 fiel auf, dass Teile der CRISPR-Sequenzen nicht aus den Bakterien selbst, sondern aus Viren stammten. Bruchstücke von viralen Gene waren auf irgendeine Weise in das Erbgut der Bakterien gelangt. Der Zufall war aber sicher nicht im Spiel: Dazu wiesen die viralen Sequenzen eine viel zu regelmäßige und geordnete Struktur auf.

Immunsystem der Bakterien

Im Jahr 2006 kamen Forscher auf den Gedanken, dass die CRISPR-Sequenzen eine Erinnerung an zurückliegende Viren-Infektionen darstellen könnten. Bei erneutem Befall würden die Sequenzen aktiviert und in RNA-Moleküle umgeschrieben, die dann das Erbgut der eingedrungenen Viren aufspüren können.

Doch RNA-Moleküle allein reichen nicht aus, um einen wirkungsvollen Schutz vor Viren aufzubauen. Sie benötigen die Unterstützung eines Enzyms namens Cas9, das als sogenannte Nuklease fungiert: Es schneidet DNA-Stränge in kleinere Stücke. Mit der Hilfe der RNA kann Cas9 das Erbgut der Viren aufspüren und zerstückeln – der Angriff der Viren ist damit abgewehrt.

2007, also 20 Jahre nach der Entdeckung der seltsamen Sequenzen, gelang erstmals der Nachweis, dass das CRISPR/Cas9-System ein Immunsystem der Bakterien ist.

Der große Vorteil von CRISPR/Cas9

An diesem Zeitpunkt kamen die Wissenschaftlerinnen Jennifer Doudna und Emanuelle Charpentier auf eine bahnbrechende Idee: Warum nicht dieses System für eigene Zwecke nutzen? Forscher hatten war zwar bereits Genscheren entwickelt und im Labor getestet. Doch die Herstellung der ersten beiden Varianten ZFN und TALEN war mühsam und zeitaufwändig1.

Das System aus CRISPR und Cas9 war da wesentlich einfacher zu handhaben. Es hatte einen großen Vorteil: Die Genschere bestand aus zwei unabhängigen Komponenten. Das Protein Cas9 war universell einsetzbar, und RNA-Moleküle – die an Stelle der CRISPR-Sequenzen das Ziel definieren – können schon für wenig Geld hergestellt werden.

Eine wichtige Frage blieb noch offen: Funktioniert das bakterielle CRISPR/Cas9 auch in menschlichen Zellen? Anfang 2013 erschienen drei Studien, die dies eindeutig zeigten – mit dabei waren erneut Doudna und Charpentier. Damit war der Damm gebrochen – CRISPR/Cas9 zog seinen Siegeszug durch Labore in aller Welt an. Doudna und Charpentier wurden dabei weltberühmt und im Jahr 2020 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet.

Ständige Weiterentwicklung der Cas-Nuklease

Suche nach neuen Cas-Varianten

Die ersten Anwendungen des CRISPR-Systems nutzten das Enzym CRISPR-associated protein 9 (Cas9) aus dem Bakterium Streptococcus pyogenes. Es ist bis heute die am häufigsten verwendete Enzym-Variante1. Dennoch hat Cas9 auch unübersehbare Schwächen:

• die DNA wird häufig auch außerhalb der eigentlichen Zielsequenz geschnitten2
• manche Abschnitte im Erbgut enthalten keine Sequenzen, die als Ziel für Cas9 geeignet sind
• die Folgen eines Schnitts in der DNA lassen sich nur schwer vorhersagen und kontrollieren3

Um diese und andere Schwächen zu beheben, haben Forscher nach neuen Cas-Varianten gesucht. Sie wurden auch fündig, wie die folgenden zwei Beispiele zeigen:

• Cas12a ist ein kleineres Protein und kann daher einfacher in Zellen eingeschleust werden.
• Cas13 schneidet nicht DNA, sondern RNA: Der Eingriff in die Aktivität der Gene kann so gesteuert und rückgängig gemacht werden.

Zusätzlich haben Forscher diese Cas-Varianten im Labor verändert, um die Zielgenauigkeit, Reichweite und Zuverlässigkeit zu erhöhen. Dadurch haben sich weitere Möglichkeiten eröffnet: das Base Editing und das Prime Editing.

Base Editing verändert einzelne DNA-Basen

Eine der neuen Cas-Varianten kann bestimmte DNA-Basen gegeneinander austauschen. Dieses „Base Editing‟ kann Cytosin in Thymin sowie Adenin in Guanin umwandeln4. Der Eingriff ins Erbgut bleibt zwar auf Punktmutationen beschränkt, es treten aber viel weniger unerwünschte Nebenreaktionen auf. Erste medizinische Studien testen das Base Editing daher bereits bei seltenen Erbkrankheiten.

Das Base Editing beruht auf einer teilweise inaktivierten Variante von Cas9, die den DNA-Doppelstrang nicht mehr vollständig durchschneiden kann. Das inaktive Cas wurde zusätzlich mit einer Nukleotid-Deaminase fusioniert. Dies ist ein Enzym, das DNA-Basen verändern kann.

Prime Editing verändert längere DNA-Abschnitte

Eine weitere Variante der CRISPR-Technologie kann längere DNA-Sequenzen gezielt und zuverlässig umschreiben. Bei diesem „Prime Editing‟ wird der Doppelstrang der DNA nicht vollständig durchgeschnitten, sondern es werden nur Teile eines Einzelstrangs herausgelöst. Die fehlenden Sequenzen werden dann mithilfe einer RNA-Schablone wieder aufgefüllt. Dabei können auch größere Veränderungen der Erbinformation eingefügt werden.

Wie beim Base Editing beruht auch das Prime Editing auf einer teilweise inaktivierten Variante von Cas9. Als Fusionspartner dient hier allerdings ein anderes Enzym, die reverse Transkriptase.

Anwendung in der Forschung

Die CRISPR-Technologie hat bislang vor allem die Forschung selbst maßgeblich beeinflusst. Zusätzlich zu den neuen Möglichkeiten erwies sich die Genschere auch als ein Werkzeug, das bekannte Verfahren wesentlich erleichtern und beschleunigen konnte1.

• Genetic Screening: Forscher inaktivieren Gene und beobachten, welche Auswirkungen dies auf die Entwicklung von Zellen und Lebewesen hat.
• Lineage Tracing: Forscher schleusen genetische Marker in Stammzellen ein und können so deren Entwicklung zu verschiedenen Gewebezellen nachverfolgen.

Anwendung in der Medizin

Ärzte erhoffen sich von der CRISPR-Technologie, Krankheiten schneller erkennen und gezielter behandeln zu können. Die Umsetzung erfolgte recht schnell: Bereits im Jahr 2024 wurde die erste CRISPR-Therapie in der Europäischen Union zugelassen.

Therapie von Erbkrankheiten

Viele Erbkrankheiten sind nur schwer behandelbar. Gentherapien bieten erstmals die Möglichkeit, die Ursachen dieser Krankheiten anzugehen und genetische Defekte zumindest teilweise zu beheben. Die CRISPR-Technologie ist ein Werkzeug, mit dem diese Eingriffe besonders zielgenau und präzise durchgeführt werden können.

Es laufen bereits zahlreiche Studien, die den Einsatz von CRISPR/Cas in der Medizin testen. Der Eingriff kann dabei sowohl bei Stammzellen im Labor als auch direkt im Körper der Betroffenen erfolgen5.

Ein erster Schritt dahin ist bereits erfolgt: Seit 2024 ist in der Europäischen Union die CRISPR-Therapie Casgevy zugelassen, die die Symptome der Sichelzellkrankheit und β-Thalassämie fast vollständig unterdrücken kann4.

Diagnose von Erregern

Wenn bestimmte Cas-Varianten auf ihre Zielsequenz treffen, werden sie hochaktiv: Sie schneiden nicht nur ihr eigentliches Ziel, sondern auch andere Arten von Nukleinsäuren. Diese Eigenschaft nutzen Forscher, um verschiedene Erkrankungen zu erkennen. Dabei aktiviert das Cas-Enzym eine besondere Probe, die ein Lichtsignal aussendet und leicht nachgewiesen werden kann.

Im besten Fall sind diese CRISPR-Diagnosen schnell, günstig und sehr einfach durchzuführen. Mögliche Anwendungen sind die Diagnose von Tumoren6 und einigen Krankheitserregern7 wie beispielsweise

• Bakterien: Salmonellen, Streptococcus aureus
• Viren: Noroviren, SARS-CoV-2
• weitere Erreger wie Pilze und Parasiten

Anwendung in der Tier- und Pflanzenzucht

Die Landwirtschaft hat durch die CRISPR-Technologie die Möglichkeit, schnell und zielgenau Lebewesen mit gewünschten Eigenschaften zu züchten. Im Vergleich zu konventionellen Zuchtmethoden wäre der zeitliche und finanzielle Aufwand wesentlich geringer. Es bleibt jedoch umstritten, ob die Anwendung von CRISPR/Cas bei Tieren und Pflanzen nicht auch mit unerwarteten Risiken verbunden ist.

Die landwirtschaftliche Forschung setzt CRISPR/Cas in unterschiedlichen Bereichen und zu unterschiedlichen Zwecken ein8. Dazu gehören:

Pflanzenzucht

• erhöhte Toleranz gegen Dürre
• bessere Verwertung von Nährstoffen
• Widerstandsfähigkeit gegen Krankheiten

Viehzucht

• Kühe ohne Hörner und mit dünnerem Fell
• erhöhte Muskelmasse bei Schafen und Ziegen
• Krankheits-Resistenzen bei Schweinen und Hühner

Aquakultur

• schnelleres Wachstum von Gabelwelsen
• besseres Überleben bei hohem Salzgehalt und niedrigem Sauerstoffgehalt von Lachsen
• erhöhter Gehalt an Omega-3-Fettsäuren in Regenbogenforellen

Kontroverse Anwendungen

Manche Anwendungen von CRISPR/Cas9 testen die Grenzen unserer Ethik aus und haben zu großen Kontroversen geführt.

CRISPR-Babys

Ein Eingriff in das Erbgut von Embryonen könnte auch dazu dienen, Erbkrankheiten zu verhindern oder Kinder mit gewünschten Eigenschaften zu erzeugen. Das „Designer-Baby‟ wird damit – zumindest in technischer Hinsicht – zur realen Möglichkeit.

Im Jahr 2018 hat ein chinesischer Forscher CRISPR/Cas eingesetzt, um das Erbgut zweier Mädchen zu verändern. Dies sollte die Kinder immun gegen die Erbkrankheit HIV machen. Der Eingriff führte weltweit zu heftiger Kritik und Empörung.

2019 forderten internationale Forscher ein Moratorium für derartige Eingriffe, da sie dauerhafte und unvorhersehbare Folgen für das menschliche Erbgut haben könnten. Dennoch wurden in den letzten Jahren in den USA mindestens zwei Firmen gegründet, die die Forschung auf diesem Gebiet vorantreiben wollen9.

Gene Drive

Ein Gene Drive ist ein genetisches Element, das sich selbstständig im Erbgut ausbreiten kann. Dabei setzt es sich über die natürlichen Regeln der Vererbung hinweg. Mithilfe der Genschere CRISPR/Cas war es erstmals möglich, dieses Konzept zumindest im Labor umzusetzen.

Gene Drives könnten dazu dienen, übertragbare Krankheiten einzudämmen. Im Zentrum der Forschung steht die Infektionskrankheit Malaria, die durch Stechmücken verbreitet wird. Mehrere Forschungsgruppen arbeiten an Gene Drives, die die Zahl der Stechmücken massiv verringern und so die Ausbreitung des Malaria-Erregers verhindern sollen10.

Der mögliche Einsatz von Gene Drives wirft jedoch die Frage auf, ob der Mensch das Recht hat, einzelne Tierarten willkürlich auszurotten. Zudem ist noch unklar, welche Folgen dieser Eingriff für die Umwelt haben könnte.

Gen-Schere CRISPR/Cas9

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Volker Henn