Genom-Editierung
01 | Januar 2017 Artikel versenden Artikel drucken

Genom-Chirurgie

Zukünftige Medizin an der genetischen Wurzel des Übels | Frank Buchholz

Die rasante Entwicklung der ­Genom-Editierung eröffnet völlig neue Möglichkeiten in der Erforschung und Behandlung von Krankheiten. Die Technologie verspricht im Gegensatz zu vielen heutigen Medikamenten, welche häufig nur zur Linderung krankheitsbedingter Symptome beitragen, die kausalen Ursachen genetisch bedingter Erkrankungen adressieren zu können.

Eine Blinddarmoperation ist heute zumeist ein medizinischer Routineeingriff, bei dem der entzündete Wurmfortsatz chirurgisch entfernt wird. Der Patient ist nach erfolgreicher Operation in kürzester Zeit wieder auf den Beinen. Vor nicht allzu langer Zeit sahen ähnliche Eingriffe ganz anders aus. Noch im achtzehnten Jahrhundert ging man für chirurgische Interventionen nämlich nicht zum Mediziner, sondern zum Badearzt oder zum Barbier. Dass die Chirurgie letztendlich eine medizinische Disziplin wurde, liegt an mehreren Faktoren. Ein entscheidender Fortschritt der Medizin war unzweifelhaft das Verstehen der menschlichen Anatomie. Dieses Wissen verhalf den Operateuren, einen chirurgischen Schnitt genau dort anzusetzen, wo er möglichst wenig Schaden anrichtet.

In Analogie hierzu kennzeichnet die Sequenzierung des menschlichen Genoms den Grundstein für die Entwicklung der Genom-Chirurgie. Zu Recht wurde dieser wissenschaftliche Durchbruch als einer der größten Errungenschaften der Menschheit um die Jahrtausendwende gefeiert. Das Buch des Lebens war nun entschlüsselt und das Lesen darin ermöglicht. In den letzten 15 Jahren hat es auf dem Gebiet der DNA-Sequenzierung enorme Fortschritte gegeben, was dazu führte, dass wir mittlerweile die genetischen Ursachen vieler Krankheiten kennen. Wir erkennen sozusagen, wo sich Fehler im Buch des Lebens eingeschlichen haben. Mit einer möglichen Korrektur dieser Fehler stehen wir nun, nach der Errungenschaft zur Entschlüsselung des humanen Genoms, vermutlich vor einer erneuten Revolution in der Biomedizin.

Die Werkzeuge der Genom-Chirurgie

Wie bei der Chirurgie müssen auch in der Genom-Chirurgie die richtigen Werkzeuge zum Einsatz kommen, damit die gewünschten genetischen Korrekturen herbeigeführt werden können. Hierbei ist es entscheidend, dass die fehlerhafte Erbinformation genau an der richtigen Stelle identifiziert und geschnitten werden kann. Molekularbiologen nutzen seit vielen Jahren Proteine, so genannte Restriktionsenzyme, die DNA an bestimmten Positionen erkennen und schneiden können. Leider sind diese Proteine nicht geeignet, um im riesigen humanen Genom (3×109 Basenpaare) gezielt an der gewünschten Stelle zu binden und auch nur dort zu schneiden. In den letzten Jahren wurden aber genau solche Proteine, die spezifisch eine längere DNA-Sequenz erkennen, in der Natur entdeckt und im Labor weiterentwickelt. So genannte „Sequenz-spezifische Rekombinasen“, „Homing-Endonukleasen“, „Zinkfinger Nukleasen“, „TAL-Effektor Nukleasen“ und das „CRISPR/Cas9“-System stehen heute als Instrumente für die Genom-Chirurgie zur Verfügung. Mit Hilfe dieser Technologien lassen sich nun DNA-Sequenzabfolgeveränderungen an einer bestimmten Stelle im Genom induzieren. Als Randbemerkung sei in diesem Zusammenhang erwähnt, dass all diese Werkzeuge durch reine Grundlagenforschung entdeckt worden sind. Bei allem gesellschaftlichen und politischen Verständnis, die Translation wissenschaftlicher Ergebnisse besonders zu fördern, ist dies daher ein starkes Plädoyer, auch die reine Grundlagenforschung gebührend zu unterstützen.

Insbesondere das CRISPR/Cas9-System hat zu einem entscheidenden Durchbruch im Bereich des „Genom-Editing“ geführt, da die Technologie sehr effizient und die molekulare Schere sehr einfach zu programmieren ist. Das CRISPR/Cas9-System wurde ursprünglich aus Bakterien isoliert, wo es als adaptives Immunsystem bakterielle Zellen vor Virus-Infektionen schützt. Bei einer Infektion legt das Bakterium hierbei, wie in einer Kartei, kurze Abschnitte der Virus-Sequenz im eigenen Genom als sogenannte „Clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)“ ab. Kommt es zu einer erneuten Infektion des gleichen Virus, kann diese Kartei in Form einer so genannten Führungs-RNA (auch guide RNA, oder kurz gRNA genannt) als Fahndungsakte abgerufen werden. Die gRNA leitet dann das Cas9-Protein an die Sequenz-komplementäre Stelle des Virus, was die Aktivierung von Cas9 zur Folge hat. Die Virus-DNA wird somit zerschnitten und das Virus unschädlich gemacht.

Interessanterweise funktioniert dieser Prozess nicht nur in Bakterien, sondern auch in anderen Zellen, wenn die beiden Komponenten gRNA + Cas9 eingebracht werden. Ersetzt man nun die gRNA-Sequenz durch eine Zielsequenz im Genom der Zelle, wird die Nuklease exakt an die vorab definierte Stelle transportiert und kann zielgenau die DNA zerschneiden. Die molekulare Cas9-Schere lässt sich also einfach durch die RNA-Sequenz der gRNA programmieren.

Chancen und Risiken der ­Genom-Chirurgie

Die therapeutischen Anwendungsmöglichkeiten für diese molekularen Scheren sind vielfältig. So könnte diese Technologie bisher unheilbare genetische Erkrankungen, wie z.B. die Muskeldystrophie, Cystische Fibrose, Hämophilie, Gammaglobulinämie oder die Sichelzellanämie, heilbar machen. All diese Erkrankungen sind auf bestimmte Mutationen im Genom zurückzuführen. Würde man die molekulare Schere genau auf diese Mutation ansetzen und gleichzeitig ein Template bereitstellen, welches den Fehler behebt, könnte die Zelle den Fehler eigenständig korrigieren. Die Zelle hätte den Defekt behoben und der Patient wäre bei ausreichender Zahl der korrigierten Zellen geheilt.

Auch virale Infektionskrankheiten wie z.B. HIV, HBV, HPV etc. ließen sich mit einem ähnlichen Ansatz bekämpfen. Wie in den Bakterien könnte das mit virusspezifischen gRNAs beladene Cas9 die Virus-DNA zerschneiden und damit das Virus inaktivieren. Die Erklärung hierfür ist, dass Zellen ohne ein geeignetes Template den Doppelstrangbruch in der DNA zumeist fehlerhaft reparieren. Die Erbinformation des Virus ist somit verändert und das Virus typischerweise nicht mehr lebensfähig. In humanen Zellkulturen konnten mit diesem Ansatz in der Tat schon gute Ergebnisse präsentiert werden. Allerdings zeigten sich bei Versuchen zur Inaktivierung von HIV, dass sich sehr schnell resistente Viren bildeten. Dies liegt daran, dass bei der zufälligen Reparatur in der Zelle auch Viren entstehen, die noch lebensfähig sind, auf welche aber die molekulare Schere nicht mehr passt. Sequenzspezifische Rekombinasen könnten diese Hürde überwinden, da sie nicht auf zelluläre Reparaturmechanismen angewiesen sind. Diese Enzyme schneiden nicht nur die DNA, sondern fügen die Enden der DNA-Stränge auch wieder präzise zusammen, womit Resistenzbildung vermieden wird.

Viele Ursachen weiterer Erkrankungen begründen sich in Veränderungen des Erbguts. So sind Krebserkrankungen zumeist auf eine Vielzahl von Mutationen im Erbgut zurückzuführen. Welche dieser Mutationen für die Transformation der Zellen entscheidend ist, ist aber häufig nicht eindeutig erkennbar. Hier könnte das CRISPR-Cas9-System künftig eine entscheidende Rolle spielen, um die wichtigen von den weniger wichtigen Mutationen zu unterscheiden. Indem mutationsspezifische gRNAs zusammen mit Cas9 in die Tumorzellen eingebracht werden, könnte man relativ schnell herausfinden, welche Mutationen für das ungehemmte Wachstum der Zellen verantwortlich sind und welche nicht. Auch könnte dieser Ansatz eines Tages eine auf den jeweiligen Patienten zugeschnittene Therapie ermöglichen, da genomchirurgische Schnitte nur in den Krebszellen ausgelöst werden würden, was zur Eliminierung der Krebszellen führen, aber gesunde Zellen verschonen würde.

Allerdings ist noch ein weiter wissenschaftlicher Weg zu beschreiten, bis die hier beschriebenen Szenarien ihren Platz im therapeutischen Alltag finden. So muss sichergestellt werden, dass die eingesetzten Nukleasen wirklich nur an den definierten Stellen im Genom schneiden. Darüber hinaus stellt die effiziente Einschleusung der molekularen Scheren in die richtigen Zellen im menschlichen Körper eine weitere Herausforderung dar. Die meisten dieser Ansätze sind auf so genannte Genfähren angewiesen, welche das Enzym in die Zelle transportieren. Und obwohl auch die Gentherapie in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht hat, bleibt „delivery“ vorerst ein Flaschenhals für den therapeutischen Einsatz der Genom-Chirurgie.

Nichtsdestotrotz laufen bereits jetzt erste klinische Tests an Menschen und ein einsetzender wissenschaftlicher Wettlauf kann zwischen Forschungsinstituten der USA und China ausgemacht werden. So wurde der Wettlauf dieser Schlüsseltechnologie in der Fachwelt auch schon als Sputnik 2.0 bezeichnet. Auch Deutschland sollte als renommierter Forschungsstandort hierbei nicht den Anschluss verlieren und einen breiten politischen und gesellschaftlichen Diskurs einleiten, um ethische und moralische Standards der Genom-Chirurgie zeitnah festzulegen.

 

A U T O R

Frank Buchholz ist Pro­fessor für ­Medi­zi­ni­sche ­System­bio­lo­gie an der Universität Dresden.


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