Wie funktioniert ein Gene Drive?

Ein Gene Drive nutzt die Genschere CRISPR, um neue oder veränderte Gene im Erbgut freilebender Populationen zu verankern

Das Erbgut ihrer Haustiere verändern Menschen bereits seit Jahrtausenden, doch nun geraten auch wildlebende Tiere ins Visier. Der Gene Drive soll nicht nur einzelne Individuen, sondern ganze Populationen nach Wunsch manipulieren. Dies könnte helfen, Krankheiten wie die Malaria auszurotten, birgt jedoch auch unabsehbare Risiken für empfindliche Ökosysteme.

Gene Drive und CRISPR

Warum ist der Gene Drive so wirkungsvoll? Er nutzt ein "egoistisches" genetisches Element, das die natürlichen Regeln der Vererbung außer Kraft setzt1. Ausgewählte Gene werden nicht nur an einen Teil der Nachkommen weiter gegeben, sondern an jeden einzelnen von ihnen. Ein Prozess, der sich in allen folgenden Generationen wiederholt.

Die Genschere CRISPR macht es möglich

Auch wenn die Idee bereits aus dem Jahr 2003 stammt2, bereitete die Umsetzung lange Schwierigkeiten. Doch seit 2012 geht es in großen Schritten voran: Die Entwicklung der Genschere CRISPR lieferte das fehlende Instrument, um mit der nötigen Stabilität und Präzision in das Erbgut einzugreifen.

Die Aufgabe von CRISPR ist es, den DNA-Strang an einer exakt definierten Stelle zu schneiden. Dies löst einen Prozess aus (homologe Reparatur genannt), der gezielt einzelne Gene entfernt und durch andere Varianten ersetzt. Diese neue Genvariante kann auf beliebige Weise manipuliert und dann im Erbgut verbreitet werden. Die dritte wesentliche Komponente des Gene Drive ist ein RNA-Molekül (guideRNA), das die Zielsequenz definiert: CRISPR weiß dann, wo es schneiden soll und welches Gen verändert wird.

Der Gene Drive verläuft wesentlich effizienter als die natürliche Vererbung. Die bleibt ein höchst mühsamer Prozess: Jeder höhere Organismus speichert die genetische Information in Paaren von Chromosomen, von denen je eines von Vater und Mutter stammt. Auch die Gene liegen damit meist in zwei unterschiedlichen Varianten vor, einer mütterlichen und einer väterlichen. Die Natur sieht vor, dass nur eine der beiden Genvarianten an die nächste Generation weitergegeben wird. Die Wahrscheinlichkeit der Vererbung liegt als bei 50 %.

Effizienter als die natürliche Vererbung

Der Gene Drive hingegen erreicht eine Quote von beinahe 100 %. Er entfaltet seine Wirkung in den Keimzellen oder im frühen Embryo, wo er konkurrierende Genvarianten auf dem anderen Chromosom überschreibt. Am Ende bleibt einzig der Gene Drive übrig, und er wird somit auch als einziger vererbt. Unter optimalen Bedingungen wird er in kurzer Zeit (je nach Startbedingung etwa 10-20 Generationen) alle natürlichen Genvarianten verdrängen - und sich damit vollständig in der gesamten Population durchsetzen.

Im Labor kommen Forscher diesem Optimalfall schon recht nah. Viele Experimente konzentrieren sich auf Stechmücken, die mit einem Gene Drive immun gegen den Malaria-Erreger oder unfruchtbar gemacht werden. Auch bei Hefen und Fruchtfliegen verliefen die Versuche sehr erfolgreich. Übertragungsraten deutlich jenseits der 90 % sind fast schon die Regel.

Allerdings läuft es nicht immer so problemlos, und zu den größten Hürden gehört die Ausbildung einer Resistenz. Ein Gene Drive reagiert sehr empfindlich auf Mutationen in dem Zielgen, da die Genschere CRISPR dann nicht mehr schneiden kann. Schon kleinste Veränderungen können daher das Zielgen resistent gegen den Gene Drive machen und dessen Ausbreitung verhindern.

Der Gene Drive in freier Natur

Doch auch für dieses Problem gibt es Gegenmaßnahmen3. Eine Möglichkeit wäre es, den Gene Drive gegen Teile des Zielgen zu richten, die selber empfindlich auf Veränderungen reagieren. Eine Mutation würde dann sehr wahrscheinlich die Funktion des Gens zerstören und schwerwiegende, vielleicht sogar tödliche Konsequenzen haben. Eine Ausbreitung der Resistenz wäre damit unmöglich.

In der freien Natur wartet eine weitere Hürde. Viele freilebende Populationen sind durch eine hohe genetische Vielfalt gekennzeichnet, die es sehr schwer macht, einen gemeinsamen Ansatzpunkt im Zielgen zu finden. Ein Gene Drive wäre daher nur bei einem Teil der Individuen wirksam, aber nicht bei der gesamten Population. Hier müssten Forscher mehrere unterschiedliche Gene Drives entwickeln, um die natürliche Vielfalt vollständig abdecken zu können.

Trotz aller Fortschritte im Labor: Ob ein Gene Drive sich auch in der freien Natur durchsetzen kann, ist noch völlig unklar. Doch die Antwort wird vielleicht nicht lange auf sich warten lassen - erste Versuche könnten bereits in wenigen Jahren beginnen.

1 Esvelt et al., Concerning RNA-guided gene drives for the alteration of wild populations, eLife 2014 (link)
2 A. Burt, Site-specific selfish genes as tools for the control and genetic engineering of natural populations, Proceedings Biological sciences / The Royal Society, März 2003 (link)
3 Hammond et al., The creation and selection of mutations resistant to a gene drive over multiple generations in the malaria mosquito, PLoS Genetics, Oktober 2017 (link)

Gene Drive und CRISPR

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Kurz und knapp

  • Ein Gene Drive besteht aus einem neuen Gen und der Genschere CRISPR
  • das neue Gen soll eine wünschenswerte Eigenschaft in freilebenden Populationen verbreiten
  • die Genschere CRISPR löst einen Prozess aus, mit der ein Gene Drive im ganzen Erbgut verbreitet wird
  • ein Gene Drive wird auf bis zu 100 % der Nachkommen übertragen
  • die Ausbildung von Resistenzen kann eine Gene Drive behindern
  • eine hohe genetische Vielfalt erschwert die Entwicklung von Gene Drives
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