Drei Genscheren schneiden das Erbgut – CRISPR/Cas, TALEN, ZFN

Forscher haben natürliche Proteine zu Werkzeugen geformt, die zielgenau in das Erbgut eingreifen. Diese Genscheren sollen Erbkrankheiten heilen, Seuchen bekämpfen und Lebewesen mit besonderen Merkmalen ausstatten.

Zielgenaue Schnitte

Neue Werkzeuge bringen die Wissenschaft oft sprunghaft voran. Ein gutes Beispiel dafür sind die „Genscheren“: Zuerst TALEN und ZFN, etwas später dann CRISPR/Cas1,2. Diese umgewandelten Enzyme verändern das Erbgut – fast nach Belieben und in allen lebenden Zellen.

Eine Reparatur mit Folgen

Etwa seit den 1970er Jahren nutzen Forscher Enzyme, die den DNA-Strang an festgelegten Stellen schneiden. Doch erst seit wenigen Jahren können sie auch den Ort frei wählen, an dem dieser Schnitt erfolgen sollen. Die neuen Genscheren setzen dabei einen komplizierten, mehrstufigen Prozess in Gang3:

• Die Genscheren schneiden das Erbgut an einer definierten und von Forschern frei gewählten Stelle.
• Sie trennen den DNA-Strang dabei vollständig durch (double strand break, DSB).
• Der DSB aktiviert natürliche Mechanismen, die für die Reparatur der DNA zuständig sind.
• Die Reparatur fügt den DNA-Strang wieder zusammen – fügt dabei aber meist kleine Veränderungen ein.

Die Genscheren starten den Prozess – doch letztlich sind es die Reparaturmechanismen, die das Erbgut verändern. Das Ergebnis ist zumindest in Säugetierzellen schwer vorherzusehen, da sie über zwei Arten der DNA-Reparatur verfügen:

Homology-Directed Repair (HDR)

Die HDR-Reparatur nutzt eine homologe Vorlage, um den ursprünglichen Zustand wiederherzustellen. Homolog bedeutet in diesem Fall, dass Vorlage und geschnittener Strang in wichtigen Teilen identisch sind.

Unter natürlichen Bedingungen dient meist das Partnerchromosom als Vorlage, da es in der Regel die identische DNA-Sequenz aufweist. Forscher können aber auch künstliche Vorlagen anbieten und so die DNA auf beliebige Weise verändern.

Grundsätzlich lassen sich auf diese Weise einzelne DNA-Basen austauschen, größere Teile des Gens entfernen oder neue Sequenzen einfügen. In der Praxis sind diese Möglichkeiten jedoch nur eingeschränkt verfügbar: Der HDR-Mechanismus ist meist nur während der Zellteilung aktiv. Und auch dann konkurriert er noch mit dem zweiten Reparaturprozess (siehe unten). Die präzise Manipulation von Genen ist mit dem HDR-Mechanismus zwar möglich, aber nur wenig effizient.

Non-Homologous End Joining (NHEJ)

Auch der NHEJ-Mechanismus fügt freie DNA-Enden wieder zusammen, allerdings in der Regel mit zahlreichen Fehlern: An der Schnittstelle gehen einzelne DNA-Basen verloren, manchmal werden auch neue eingefügt. Diese Kombination von Einfügungen (Insertionen) und Verlusten (Deletionen) wird als „Indel“ bezeichnet. Treten Indel-Mutationen in der Sequenz von Genen auf, verlieren diese anschließend häufig ihre Funktion. Diese Form der DNA-Reparatur ist in den meisten Zelltypen dominant. Der Einsatz von Genscheren hat daher meist zur Folge, dass die Aktivität von Genen ausgeschaltet wird.

CRISPR/Cas – anpassungsfähig und unkompliziert

Von den drei Genscheren ist CRISPR/Cas sicherlich der bekannteste Vertreter, spätestens seit dem Nobelpreis für die Entdeckerinnen Jennifer Doudna und Emmanuelle Charpentier im Jahr 2020. Die Bezeichnung CRISPR/Cas beschreibt ein System, das aus zwei variablen Teilen besteht.

Den ersten Bestandteil bildet ein Enzym, das zur Gruppe der Cas-Proteine gehört. Häufig handelt es sich dabei um die Variante Cas9 aus dem Bakterium Streptococcus pyogenes. Cas-Proteine besitzen eine Nuklease-Aktivität – sie schneiden den DNA-Strang des Erbguts vollständig durch.

Der zweite Bestandteil von CRISPR/Cas ist ein RNA-Molekül. Dieses bindet an eine genau definierte Stelle des Erbguts und zeigt der Cas-Nuklease, wo der Schnitt erfolgen soll. Das RNA-Molekül ist austauschbar und wird für jede Anwendung neu hergestellt.

Die RNA-Moleküle sind billig und lassen sich leicht in jeder beliebigen Form erzeugen. Das ist ein entscheidender Vorteil: Jede Forschergruppe auf der Welt kann mit CRISPR/Cas arbeiten, auch wenn sie nur über geringe Vorkenntnisse und bescheidene Mittel verfügt.

In den letzten Jahren wurde das CRISPR/Cas-System stetig weiterentwickelt. Manche Varianten lassen die Gene unverändert, beeinflussen aber deren Aktivität – sie wirken wie epigenetische Faktoren4. Andere Cas-Varianten erzeugen keinen Bruch im DNA-Strang, sondern tauschen einzelne Basen (base editing) oder längere Sequenzen (prime editing) aus. Erst base und prime editing lösen das ursprüngliche Versprechen der Genscheren ein: Sie können das Erbgut nach Belieben verändern.

ZFN – klein, aber arbeitsintensiv

Obwohl CRISPR/Cas die meiste Aufmerksamkeit erhält, ist es nicht die erste Genschere, die Forscher entwickelt haben. Diese Ehre gebührt einem synthetischen Protein, das als Zinkfingernuklease (ZFN) bezeichnet wird.

Eine ZFN ist ein Molekül, das aus der Fusion zweier natürlicher Proteine entsteht: einem Zinkfinger-Protein und der Nuklease FokI. Zinkfinger-Proteine binden an die DNA und regulieren häufig die Aktivität von Genen. Die Nuklease FokI stammt aus dem Bakterium Flavobakterium okeanokoites und kann einen DNA-Strang vollständig durchtrennen.

Im Gegensatz zu CRISPR/Cas besteht die ZFN-Genschere also nur aus einem Teil: Das Protein erkennt sein Ziel im Erbgut und schneidet es auch direkt. Es ist sehr klein, was für manche Anwendungen von Vorteil ist. Allerdings muss das Protein für jede Anwendung neu konstruiert werden – ein erheblicher Aufwand an Zeit und Geld. Der Einsatz der ZFN bleibt daher meist wenigen Speziallabors vorbehalten.

TALEN – präzise, aber groß

Die dritte Variante der Genscheren wird TALEN (transcription activator-like effector nucleases) genannt. Es ist ebenfalls ein synthetisches Molekül, das Teile zweier natürlicher Proteine enthält. Die Erkennung der DNA-Zielsequenz erfolgt durch das TAL-Protein aus dem Pflanzenpathogen Xanthomonas. Der Schnitt durch den DNA-Strang erfolgt – genau wie bei den ZFN – durch die FokI-Nuklease.

Im Vergleich zu ZFN haben TALEN den Vorteil, dass die Bindungsstelle für DNA deutlich länger ist. TALEN arbeiten daher in der Regel auch präziser und vermeiden unerwünschte Schnitte außerhalb der Zielsequenz (off-target). Aber auch ihre Herstellung ist so aufwendig, dass sie nur in wenigen Labors zum Einsatz kommen.

Genscheren haben viele Anwendungen.

Genscheren sind ein Produkt der Grundlagenforschung, und in diesem Bereich haben sie auch die größte Wirkung erzielt. Ihr Einsatz hat dazu beigetragen, die Funktion und das Zusammenspiel der Gene wesentlich besser zu verstehen. Genscheren werden aber auch in vielen Anwendungen erprobt, die unser tägliches Leben betreffen.

Behandlung von Erbkrankheiten und Krebs

Genscheren können das menschliche Erbgut dauerhaft verändern. Ihr Einsatz hat daher das Potenzial, zahlreiche Erbkrankheiten, Krebs und die Infektionskrankheit AIDS zu behandeln. Einige Studien laufen bereits, vor allem mit CRISPR/Cas. Der Eingriff ins Erbgut kann entweder im Labor über Stammzellen erfolgen, oder die Genschere wird direkt im Körper des Behandelten aktiv.

Umstritten ist hingegen ein Einsatz in der Keimbahntherapie. Genscheren sollen hier das Erbgut von Ei- und Samenzellen verändern. Die Folgen betreffen nicht nur die behandelte Person, sondern auch alle nachfolgenden Generationen. Ein chinesischer Forscher hatte 2018 im Alleingang versucht, zwei Kinder dauerhaft vor einer HIV-Infektion zu schützen. Der letztlich gescheiterte Versuch hatte weltweit für Empörung gesorgt.

Pflanzen und Tiere mit erwünschten Eigenschaften

Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet ist die Herstellung gentechnisch veränderter Pflanzen. Im Gegensatz zu bisherigen Verfahren hinterlässt der Eingriff mit einer Genschere nur geringe Spuren, die Pflanzen unterscheiden sich kaum von natürlich gezüchteten5. Die Hersteller von Saatgut hoffen, dass diese Pflanzen auf eine höhere Akzeptanz stoßen. Viele Sorten stehen kurz vor der Zulassung, in Japan sind mit CRISPR/Cas veränderte Tomaten bereits im Handel erhältlich1.

Genscheren können auch in Tieren Eigenschaften verstärken, die für die Haltung oder Zucht von Vorteil sind. Bereits weiter fortgeschritten sind beispielsweise Versuche, Kühe mit einem dickeren Fell auszustatten, um sie widerstandsfähiger gegen niedrige Temperaturen zu machen6.

Gene Drive zur Ausrottung der Malaria

Sehr umstritten ist ein bisher unerprobter Ansatz, das Erbgut freilebender Tiere zu verändern. CRISPR/Cas wird dann Teil eines genetischen Element, das sich selbständig ins Erbgut einfügt und aktiv weiter in der Population verbreitet. Ziel dieses sogenannten gene drive kann die vollständige Ausrottung einer Tierart sein.

Schon seit einigen Jahren laufen Vorbereitungen, mit einem gene drive den Kampf gegen Malaria-Erreger voranzutreiben. CRISPR/Cas bildet dabei den Kern eines gene drive, der Anopheles-Mücken ausrotten sollen. Diese Mücken sind Träger des Malaria-Erregers. Ohne Mücken breitet sich der Erreger dann nicht mehr aus – so zumindest die Hoffnung.