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Gen_Lexikon

Wenn es um das Voranschreiten der Gentechnik geht, sind die einen besorgt und die anderen euphorisch – aber die wenigsten kennen sich aus. Ein Überblick über die neuesten Techniken.




Zwei Technologien haben in jüngster Zeit die Biomedizin besonders elektrisiert und aufgerüttelt, zugleich große (und bisweilen überzogene) Hoffnungen wie Befürchtungen geweckt und eine regelrechte Gipfelstürmerstimmung entfacht. Mehrfach wurden sie als „game changer“ und „breakthrough of the year“ bezeichnet, und viele Wissenschaftler sehen sie bereits jetzt als zwei der größten Errungenschaften in der Geschichte der Molekularbiologie an. Die Rede ist von der „massiv parallelen Sequenzierung“ (MPS) von DNA und von der Genmodifikation mittels der sogenannten „CRISPR /Cas“-Methode. Auf diesen Verfahren beruht das eindrucksvolle Versprechen einer großartigen neuen „Präzisionsmedizin“.

Wenn man sich die DNA als umfangreichen fremdsprachigen Text vorstellt, dann ermöglicht MPS das Lesen dieses Textes und CRISPR /Cas das Umschreiben einzelner seiner Passagen. Allerdings liefert keine dieser Methoden ein echtes Verständnis des Textes. Um diesen wirklich verstehen zu können, muss man die Sprache, in der er geschrieben ist, beherrschen – doch dabei stehen wir gerade erst am Anfang. Anhand dieser Analogie lassen sich sowohl das Potenzial als auch die Probleme und Herausforderungen für MPS und CRISPR /Cas erahnen:

Wir können heute schnell, einfach und günstig ganze Genome auslesen und ebenso leicht beliebige Veränderungen im Genom von Zellen und ganzen Organismen vornehmen. Zu verstehen, wie welche Gene reguliert werden und mit anderen Genen zusammenwirken, und vorherzusagen, welche Veränderungen wir an welcher Stelle vornehmen müssen, um einen gewünschten Effekt zu erzielen, und welche Konsequenzen sie haben, ist hingegen deutlich schwieriger und noch lange nicht bewältigt. Doch genau das sind die Voraussetzungen, um die großen Erwartungen und Hoffnungen an diese neuen Methoden erfüllen zu können.

Massiv parallele Sequenzierung (MPS)

DNA oder „deoxyribonucleic acid“ (dt.: Desoxyribonukleinsäure) ist das Erbgutmolekül. Ein DNA-Doppelstrang besteht aus zwei komplementären, gegensinnig ausgerichteten und aneinandergelagerten Einzelsträngen, die aus Ketten von Grundbausteinen, den Nukleotiden, bestehen. Jedes Nukleotid enthält eine von vier Stickstoffbasen, die, abgekürzt als A, G, T und C, die Buchstaben des genetischen Codes bilden. Die Abfolge der Buchstaben, die Sequenz der DNA, kodiert dabei die Information, die in der DNA gespeichert ist – unsere Erbinformation.

Unter Sequenzierung von DNA versteht man die Bestimmung der Nukleotid-Abfolge in einem DNA-Molekül. Diese Technik hat seit ihrer ersten Verwendung durch Frederick Sanger im Jahr 1977 die Lebenswissenschaften revolutioniert und die Ära der Genomik eingeleitet.

Das erste vollständige Genom (das gesamte Erbgut) eines Menschen wurde im Rahmen des Human Genome Project noch komplett mit der Sanger-Methode sequenziert, was mehr als zehn Jahre dauerte, mehr als drei Milliarden Dollar verschlang und woran weltweit mehr als 1000 Wissenschaftler beteiligt waren. Mit MPS lässt sich heute ein menschliches Genom von einem einzigen Labor an einem Tag für weniger als 1000 Dollar sequenzieren. Diese Technik, die häufig auch als „Next Generation Sequencing“ (NGS, dt.: Sequenzieren der nächsten Generation) bezeichnet wird, ermöglicht das Auslesen von DNA in einem zuvor nicht gekannten Maßstab und ist damit eine notwendige, allerdings nicht ausreichende Voraussetzung, die Funktion, Regulation und das Zusammenwirken von Genen zu verstehen – den heiligen Gral der Genetik.

Was wird MPS bringen?

Das Potenzial von MPS lässt sich durch einige der möglichen Anwendungen illustrieren. So wird es etwa in der medizinischen Humangenetik möglich, Mutationen (Veränderungen der DNA, die Ursache für eine Krankheit sein können) im menschlichen Erbgut in einem einzigen Arbeitsgang aufzuspüren und so alle bis dato bekannten Erbkrankheiten oder die Anlage dazu, die ein Mensch in sich trägt, zu entdecken. Dies erlaubt eine ausreichend frühe Therapie, aber auch Vorhersagen, mit welcher Wahrscheinlichkeit etwa die Nachkommen eines Menschen betroffen sein werden. Bei einer Schwangeren kann mittels MPS eine Untersuchung des Fötus auf Erbkrankheiten durchgeführt werden. Möglich ist das mit einer einfachen Blutprobe der Frau, die bereits die DNA ihres ungeborenen Kindes enthält. Man braucht dafür keine gefährliche Prozedur mehr wie eine Fruchtwasseruntersuchung (Amniozentese) und kann viel früher zu Ergebnissen kommen.

Die dank MPS erkennbaren Variationen im Erbgut können aber auch den Stoffwechsel betreffen und beeinflussen, wie ein Mensch auf bestimmte Medikamente reagiert. So wird es möglich sein, einem Patienten, dessen gesamte genetische Information bekannt ist, eine speziell auf ihn zugeschnittene Medikation zu verabreichen, die weniger Nebenwirkungen hat und die Gefahr einer falschen Dosierung verringert.

Bei der Behandlung von Krebs wird sich MPS als unschätzbarer Vorteil erweisen, da man mit dieser Methode das Genom einer Krebszelle so genau wie nie zuvor untersuchen und so viel besser verstehen kann, was in der entarteten Zelle falsch läuft. Man wird die Schwächen der Krebszellen erkennen und eine Therapie ermöglichen, die nicht nur viel gezielter und damit wirksamer ist, sondern auch viel weniger Nebenwirkungen hat.

MPS hat neben der Grundlagenforschung und den biomedizinischen Disziplinen, wo es vor allem zu diagnostischen Zwecken eingesetzt wird, aber auch längst Einzug in die Forensische Genetik gehalten. Man erforscht derzeit das Potenzial als Nachfolgerin der derzeit gängigen Methoden, um wesentlich informativere DNA-Profile für strafrechtliche Ermittlungen zu erstellen. Der Einsatz von MPS könnte es künftig zudem ermöglichen, parallel zum klassischen DNA-Profiling Informationen über das Aussehen, die ethnische Herkunft und das ungefähre Alter eines Tatverdächtigen aus der DNA zu ermitteln.

Probleme und Bedenken

Die Komplettsequenzierung eines Genoms erschließt die gesamten genetischen Grundlagen eines Menschen. Dazu gehören nicht nur die genetische Disposition, sondern eben auch Anlagen für Krankheiten. Ein Großteil dieser Information ist jedoch heute noch gar nicht nutzbar, weil die Zusammenhänge der Regulation und die Umsetzung der genetischen Information noch unverstanden sind: Um ein englisches Buch zu verstehen, reicht es eben nicht, nur die Buchstaben zu lesen. Man muss auch Englisch können.

Aus dem medizinischen Einsatz der MPS und der Speicherung der dabei erzeugten Daten ergeben sich daher erhebliche ethische Probleme. Man muss sich etwa fragen, ob für Patienten, deren gesamtes Genom mittels MPS analysiert wird, eine informierte Einwilligung überhaupt möglich sein kann, wenn selbst der Fachmann, der die Daten erzeugt hat, nur einen Bruchteil davon versteht. Und sollten Patienten informiert werden über Befunde ohne klinische Bedeutung? Über Befunde, die ernste, aber unbehandelbare Krankheiten anzeigen? Oder die nicht für sie, aber für Familienmitglieder bedeutend sind (und umgekehrt)?

Wie soll man mit Zufallsbefunden umgehen, die ernste Krankheiten ankündigen und bei früher Erkennung behandelbar sind? Müssen Patienten wissen, wenn beispielsweise bei einer Untersuchung von Vater und Sohn zufällig entdeckt wird, dass jener gar nicht der leibliche Vater des Sohnes ist? Was passiert, wenn durch neue Forschungsergebnisse die gespeicherten Daten eines früher behandelten Patienten zuvor unbekannte medizinische Zusammenhänge offenbaren? Und wer lagert diese Daten, wer hat Zugriff darauf, wie wird der Zugang geregelt, und wer bezahlt die Lagerung? Auf keine dieser Fragen gibt es bisher eine gute Antwort.

Der Einsatz von MPS in der Medizin und Grundlagenforschung birgt zweifellos ein enormes Potenzial, das noch gar nicht vollständig überschaubar ist. Man könnte sagen, MPS wird es ermöglichen, Fragen zu beantworten, die wir vorher nicht einmal hätten stellen können. Aber MPS wirft auch ganz neue Probleme auf, mit denen wir uns im Sinne eines verantwortungsbewussten Einsatzes dieser mächtigen Technik befassen müssen.

Crispr /Cas

Dieses Akronym, im Fachjargon kurz als CRISPR (ausgesprochen: „krisper“) bezeichnet, steht für „Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats“ (CRISPR) und „CRISPR associated“ (Cas). Ersteres bezeichnet bestimmte Abschnitte sich wiederholender DNA-Motive im Erbgut verschiedener Bakterien, die durch kurze Abstandshalter („spacer“) voneinander getrennt und Teil einer Art Immunsystem sind, das von Bakterien zur Abwehr viraler Parasiten, sogenannten Bakteriophagen, genutzt wird. Letzteres, Cas, ist die Bezeichnung für ein Eiweißmolekül aus der Gruppe der Endonukleasen, das gezielt und an exakt definierten Stellen DNA schneiden kann.

Der CRISPR-Boom hat erst vor wenigen Jahren eingesetzt, obwohl die CRISPR-Sequenzen schon im Dezember 1987 in einem Darmbakterium entdeckt worden waren. Man verstand damals nicht, was man da vor sich hatte, und kümmerte sich nicht weiter darum. So dauerte es bis 2007, bis man erkannte, dass diese Sequenzen offenbar Teil einer Art von Immunsystem in einigen Bakterien sind.

In der Lebensmittelindustrie werden für bestimmte Verarbeitungsprozesse von Milchzucker Bakterien der Art Streptococcus thermophilus verwendet. Diese können jedoch von Bakteriophagen befallen und getötet werden – eine solche sich rasch ausbreitende Infektion kann ganze Chargen verderben. In einer dänischen Firma für Nahrungsmittelzusätze fand man heraus, dass man Streptococcus thermophilus gegen Bakteriophagen immunisieren, sozusagen impfen kann, indem man die Bakterien vor der Produktion den Phagen aussetzte. Diese Behandlung schützte die Bakterien danach wirkungsvoll vor den Viren.

2012 schließlich wurde erstmals beschrieben, dass sich CRISPR zweckentfremden lässt und damit Gen-Editierung betrieben werden kann. Darunter versteht man das Entfernen, Ersetzen, Aktivieren oder Deaktivieren existierender Gene sowie den Einbau neuer Gene in ein Erbgutmolekül. So begann der Siegeszug von CRISPR und hält bis heute an.

Die Komponenten von CRISPR /Cas lassen sich aus den Bakterien isolieren und inzwischen sehr gut künstlich herstellen und modifizieren. Ein künstliches CRISPR-System lässt sich auf jede beliebige Zielsequenz im Genom programmieren, um dort Modifikationen vorzunehmen. Viele Hersteller bieten inzwischen nach Kundenwunsch designte und online bestellbare CRISPR /Cas-Systeme für weniger als 100 Dollar an.

Was wird CRISPR bringen?

Auch vor der Entdeckung von CRISPR konnte man Gene gezielt modifizieren, es war nur sehr aufwendig und teuer. Nun aber wird eine solche Modifikation zu einem vergleichsweise einfachen, schnellen und billigen Verfahren mit enormer Vielseitigkeit. Neben den klassischen und inzwischen sehr gut erforschten Modellorganismen wie beispielsweise der Hefe Saccharomyces cerevisiae, der Fliege Drosophila melanogaster und der Maus Mus Musculus wurden inzwischen die Gene einer Vielzahl anderer Lebewesen für gezielte Editierung zugänglich gemacht. Das Potenzial von CRISPR für die Grundlagenforschung, aber auch für konkrete medizinische Anwendungen ist kaum überschaubar und hat große Erwartungen und Hoffnungen geweckt.

So könnte man schwere und bislang unheilbare Erbkrankheiten bekämpfen, indem man das betroffene Gen in einem aus noch wenigen Zellen bestehenden Embryo repariert – der Fötus könnte dann nicht nur zu einem völlig gesunden Baby heranwachsen, sondern die Krankheit auch nicht mehr weitervererben. Es werden darüber hinaus völlig neue therapeutische Ansätze möglich, etwa in der somatischen Gentherapie gegen Krebs oder gegen die Erreger gefährlicher Infektionskrankheiten, wie etwa HIV und Hepatitis. Man könnte Schweine züchten, in denen menschliche Ersatzorgane wachsen, und Pflanzen, die mehr Ertrag bringen, resistent gegen Schädlinge und zugleich gesünder sind – und zwar ohne, wie bisher, Gene aus fremden Organismen an zufälligen Stellen einbauen zu müssen.

Durch eine Modifikation von CRISPR, die man als Gene Drive bezeichnet, könnte man sogar die Verbreitung eines veränderten Gens in einer Population in zuvor ungekannter Weise beschleunigen. So ließe sich etwa Malaria wirksam bekämpfen, indem ein modifiziertes Gen schnell verbreitet wird, das eine reduzierte Fortpflanzung verursacht: Die lokalen Populationen der Anopheles-Mücke, die den Malaria-Erreger überträgt, würden in kurzer Zeit vollständig eliminiert.

CRISPR hat somit das Potenzial, medizinische, wissenschaftliche, aber auch wirtschaftliche Herausforderungen von zentraler gesellschaftlicher, aber auch globaler Bedeutung zu bewältigen.

Probleme und Bedenken

CRISPR ist dabei, die Gentechnik zu revolutionieren – aber auch zu demokratisieren: Die Gen-Editierung ist damit so leicht, schnell und billig, dass nun auch kleine und unerfahrene Labore mit dem Verfahren arbeiten können. Zugleich ist das System so vielseitig und flexibel, dass fast täglich neue Hacks, also kreative Ideen für innovative Einsatzmöglichkeiten, veröffentlicht werden.

Es ist so eine regelrechte Community von Biohackern entstanden, Amateure ohne wissenschaftlichen Hintergrund, die mit CRISPR an einzelligen Hefen herumexperimentieren, etwa um den Geschmack des selbst gebrauten Biers zu verbessern oder an Kunstprojekten mit gentechnisch bunt gefärbten Bakterien zu arbeiten. So harmlos solche Projekte wirken, so gefährlich kann ein solches Werkzeug in den Händen etwa eines Bioterroristen sein, der damit multiresistente, hochvirulente Keime herstellen und als Waffe einsetzen könnte.

Aber CRISPR birgt auch andere Gefahren, die nur mit mehr Detailwissen zu bewältigen sein werden. Noch wissen wir nicht genug über seine Funktion und sein natürliches molekulares Umfeld als Teil der Immunabwehr von Mikroorganismen.

Besonders problematisch sind derzeit noch die sogenannten Off-Target-Effekte, also Schnitte an der falschen Stelle. Noch immer gelingt es nicht zuverlässig genug, Gene genau an der beabsichtigten Stelle – und nur dort – zu verändern, um an einen Einsatz in menschlichen Patienten überhaupt zu denken. Eine solche Modifikation an der falschen Stelle kann jedoch verheerende Folgen haben und zum Beispiel Krebs verursachen.

Ähnliche Probleme könnten sich ergeben, wenn ein CRISPR-System – durch einen Fehler bei der Planung oder Herstellung – nicht nur im beabsichtigten Organismus, sondern auch im Menschen oder in einem anderen Organismus zu einer Genmodifikation führt. Eine weitere Gefahr könnte in genetisch modifizierten Organismen bestehen, die einen nicht vorhersehbaren Einfluss auf empfindliche Ökosysteme haben und diese aus dem Gleichgewicht bringen könnten, wenn sie freigesetzt werden.

Dem steht die unkritische Pionier-Mentalität einiger Forscher entgegen: Solange es funktioniert, müsse man nicht alle Details kennen und nicht wissen, wie es funktioniert. Andere Forscher befürchten daher, dass ethische Bedenken, die sich aus der Anwendung von CRISPR ergeben, aus dem Blick geraten, etwa bei der Anwendung der Technik bei der Veränderung menschlicher Embryonenzellen.

Dieses Thema ist ein ganz besonders heikles: Solche Veränderungen eines embryonalen Genoms betreffen die Keimbahn, das heißt, sie werden später auch an potenzielle Nachkommen weitervererbt. Außerdem besteht die Sorge, dass, sollte sich CRISPR /Cas als ausreichend sicher für den Einsatz im Menschen erweisen, es bei rein medizinischen Eingriffen zur Verhinderung von Krankheiten nicht bleiben wird. Die Versuchung wäre groß, erwünschte Eigenschaften auf Bestellung zu erzeugen und damit den ersten Schritt in Richtung Menschenzüchtung zu gehen. ---

Cornelius Courts, 39,

ist Biologe und arbeitet am Institut für Rechtsmedizin des Universitätsklinikums Schleswig-Holstein in Kiel als Forensischer Genetiker. Er befasst sich dort unter anderem mit DNA /RNA-Spuren aus dem Inneren von Schusswaffen. Courts’ Blog blooD’N’Acid existiert seit März 2011 auf der wissenschaftlichen Plattform ScienceBlogs. Dort berichtet er auf eine auch für Laien verständliche Weise über seine eigene Forschungsarbeit und fasst Fachartikel anderer Autoren zusammen. Courts ist seit vergangenem Jahr für Forensische Molekularbiologie habilitiert.