Was ist CRISPR-Genbearbeitung und wie funktioniert sie?

Im Jahr 2013 veröffentlichten zwei Biochemiker einen Artikel, in dem sie verkündeten, sie hätten eine möglicherweise bahnbrechende Methode zur Manipulation von Genen entdeckt. CRISPR – das wie ein vegetarisches Gastro-Pub klingt – brachte ihnen jeweils einen Nobelpreis ein.

In den Jahren seitdem hat CRISPR (oder Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) dem Hype alle Ehre gemacht. Es hat die globale Wissenschaftslandschaft verändert und die Frage aufgeworfen, welche revolutionären Veränderungen Wissenschaftler und Gesundheitsdienstleister anstreben könnten und sollten.

Was wäre, wenn wir Nahrungsmittel allergiefrei und Nutzpflanzen dürreresistent machen könnten? Was wäre, wenn wir invasive Arten eliminieren und uns vor Infektionskrankheiten wie Malaria schützen könnten? Was wäre, wenn wir ausgestorbene Arten wiederbeleben könnten? Was wäre, wenn wir Mutationen, die Erbkrankheiten verursachen, entfernen oder reparieren könnten? Oder individuelle Immuntherapien entwickeln, um den Krebs einer Person zu behandeln?

Die Aussichten sind so aufregend.

Wenn Ihr Verständnis der Genetik mit der Biologie an der High School beginnt und endet – oder mit dem (sehr fiktiven)Jurassic ParkFilme – du bist nicht allein. Dieses Zeug ist kompliziert. Aus diesem Grund haben wir den Genomik- und Immuntherapie-Experten Timothy Chan, MD, PhD, gebeten, CRISPR für uns aufzuschlüsseln, damit wir besser verstehen können, warum es die Forscher auch über ein Jahrzehnt später immer noch so begeistert.

Was ist Genbearbeitung?

Bevor wir uns mit CRISPR befassen, beginnen wir mit dem Konzept der Genbearbeitung.

Bei der Genbearbeitung handelt es sich um den Prozess der Veränderung des genetischen Materials (DNA). Das könnte bedeuten, dass ein paar einzelne Gene oder eine ganze Sequenz verändert werden. Seit mehr als einem Jahrzehnt wird daran geforscht, die Genbearbeitung bei Mutationen einzusetzen, die bei Menschen zu schwerwiegenden Gesundheitsproblemen führen. Das Ziel dieser Gen-Editing-Forschung besteht darin, die Mutation zu beseitigen oder zu korrigieren, die den Gesundheitszustand verursacht oder verursacht hatPotenzialeine solche verursachen, wie zum Beispiel bestimmte Krebsarten. In anderen Forschungsstudien wird die Genbearbeitung untersucht, damit eine Mutation nicht bei der Geburt an Kinder weitergegeben wird.

Beispielsweise hat die US-amerikanische Food and Drug Administration (FDA) Ende 2022 eine Gentherapie zugelassen, die ein für die Blutgerinnung benötigtes Gen in Menschen mit Hämophilie B einführt. Es ist eines von mehreren Zell- und Gentherapieprodukten, die derzeit verwendet werden.

Es gibt viele verschiedene Techniken und Anwendungen für die Genbearbeitung. CRISPR ist ein Ansatz zur Genbearbeitung, der sich in laufenden klinischen Studien als vielversprechend erweist.

CRISPR-Technologie

Nachdem wir uns nun darüber im Klaren sind, was Genbearbeitung ist, konzentrieren wir uns auf einen bestimmten Ansatz: CRISPR.

Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, auch bekannt als CRISPR, „wurde ursprünglich bei Bakterien als bakterielles Abwehrsystem identifiziert“, sagt Dr. Chan.

Das ist richtig. Auch Bakterien haben ein Immunsystem.

CRISPR enthält „Spacer“ – DNA-Sequenzen, die von unfreundlichen Viren oder anderen Wesen übrig geblieben sind – sowie sich wiederholende Abschnitte genetischen Materials. Diese Sequenzen sorgen für erworbene Immunität und bilden die Bausteine ​​des Gen-Editing-Systems oder -Prozesses. Es entsteht eine Art Bauplan, der es Enzymen im genetischen Material ermöglicht, Veränderungen an DNA-Sequenzen in lebenden Zellen vorzunehmen. Eines der bekanntesten Enzyme, die für diesen Zweck verwendet werden, heißt Cas9, weshalb man manchmal von CRISPR-Cas9 spricht.

„Im Laufe der Jahre haben Menschen herausgefunden, dass bestimmte Enzyme, die CRISPR funktionieren lassen – Cas9 ist eines davon. Aber es gibt noch andere, und sie können auf die Zielsequenzen zugeschnitten werden, die in der DNA von Interesse sind, damit bestimmte Schnitte vorgenommen werden können“, erklärt Dr. Chan.

So funktioniert die CRISPR-Bearbeitung

Sie können sich den zugrunde liegenden Mechanismus der CRISPR-Genbearbeitung so vorstellen, dass er der Art und Weise ähnelt, wie magnetische Formen zueinander gezogen werden oder wie Legosteine ​​zusammenpassen.

Die Segmente in CRISPR werden in RNA transkribiert. Diese RNA enthält eine Leitsequenz, die mit der vorhandenen DNA im Körper einer Person übereinstimmt.

„Diese Anleitungssequenz kann auf Ihre Wünsche zugeschnitten werden“, sagt Dr. Chan. „Und dadurch können Sie mit hoher Genauigkeit spezifische Veränderungen oder Mutationen in einem Teil des Genoms vornehmen, auf den Sie abzielen.“

Mit von der Partie ist bei dieser Leitsequenz ein Enzym wie Cas9.

Wenn die Leitsequenz und das Enzym die gewünschte DNA zum Bearbeiten finden, kann das Enzym mit der Arbeit beginnen. Es bindet sich an diese DNA und nimmt Veränderungen vor, sei es ein Schnitt oder eine Veränderung.

Die CRISPR-Technologie hat einen langen Weg zurückgelegt, sagt Dr. Chan. „Die erste Generation von CRISPR war eine großartige Möglichkeit, Gene zu inaktivieren. Es wurde nur ein Bruch in den Genen vorgenommen. Dann wurde die DNA mit natürlichen Reparaturenzymen aufgefüllt.“

Aber neue Versionen von CRISPR – wie CRISPR prime oder CRISPR HD – sind fortschrittlicher.

„Dadurch können tatsächliche Ersetzungen erfolgen“, fährt Dr. Chan fort. „Man kann sogar eine Sequenz – einen der Buchstaben im Genom – sehr genau durch einen anderen Buchstaben ersetzen. Und man kann spezifische Mutationen vornehmen.“

Die Fähigkeit von CRISPR, sehr spezifische, sehr kleine Schnitte vorzunehmen, hat das Potenzial, die Art und Weise zu verändern, wie Gesundheitsdienstleister bestimmte genetische Krankheiten behandeln können.

Dr. Chan blickt optimistisch in die Zukunft von CRISPR, basierend auf dem Erfolg laufender klinischer Studien an Menschen. „Bei jeder Art von genetischen Krankheiten, die durch ein einzelnes mutiertes Gen verursacht werden, kann man CRISPR verwenden, um es zu mutieren und normal zu machen. Deshalb ist es nützlich. Es ist eine Möglichkeit für uns, Fehler im Genom zu ändern.“

„Derzeit ist CRISPR darauf ausgerichtet, eine einzelne Veränderung in Genen zu korrigieren“, fügt er hinzu. „Obwohl Kombinationen in Zukunft möglich sein könnten, sind wir einfach noch nicht so weit.“

Ist es von der FDA zugelassen?

Während die Genbearbeitung bereits eingesetzt wird, befindet sich CRISPR noch in der Phase klinischer Studien, sagt Dr. Chan. „Es wird ständig in Forschungslabors und in der Industrie eingesetzt“, stellt er fest. „Viele klinische Studien testen CRISPR im Zusammenhang mit genetischen Erkrankungen und Krebs.“

Interessanterweise kann CRISPR zur Erkennung bestimmter Krankheiten eingesetzt werden. Das bekannteste Beispiel ist das Sherlock CRISPR SARS-CoV-2 Kit: Ein COVID-19-Test, der 2020 von der FDA eine Notfallzulassung (EAU) erhielt.

„Derzeit gibt es jedoch keine von der FDA zugelassene CRISPR-Therapie. Die klinischen Studien laufen“, sagt er.

Dazu gehören Studien, die sich mit CRISPR zur Korrektur genetischer Krankheiten wie Mukoviszidose, Huntington-Krankheit und Muskeldystrophie befassen.

Dr. Chan fügt hinzu, dass derzeit auch große klinische Studien zu Bluterkrankungen laufen, bei denen CRISPR zur Korrektur der Genveränderung eingesetzt wird, die die Erkrankung verursacht. Als Beispiel nennt er eine vielversprechende Studie, die sich mit der CRISPR-Cas9-Geneditierung bei Sichelzellenanämie und β-Thalassämie befasst und über die in einer Ausgabe von Anfang 2021 geschrieben wurdeNew England Journal of Medicine. β-Thalassämie ist eine angeborene Bluterkrankung, die die Fähigkeit des Körpers zur Bildung von Hämoglobin beeinträchtigt – einem eisenreichen Protein, das als Hauptbestandteil der roten Blutkörperchen dient.

Es gibt auch klinische Studien, in denen untersucht wird, ob CRISPR zur Behandlung bestimmter Krebsarten eingesetzt werden kann. Dr. Chan weist darauf hin, dass die T-Zelltherapie mit chimären Antigenrezeptoren (CAR) eine der ersten zugelassenen Gentherapien für Leukämien ist. Aktuelle Forschung untersucht, ob die CRISPR-Technologie diese Behandlung noch effektiver machen kann.

„Bei der CAR-T-Zelltherapie entnimmt man jemandem T-Zellen, setzt einen Rezeptor ein – eine neue Möglichkeit für diese Zellen, etwas auf Krebszellen anzugreifen – und setzt diese Zellen dann wieder in den Patienten ein“, erklärt er. „Forscher führen derzeit Versuche durch, bei denen sie mithilfe von CRISPR diese T-Zellen so verändern, dass sie noch aktiver werden.“

CRISPR-Therapien können viele verschiedene Formen annehmen. CRISPR wurde bereits früher direkt in den Körper eingeführt. Bekanntermaßen wurde es im Jahr 2020 sieben Menschen mit einer seltenen erblichen Blindheitsstörung in die Augen injiziert, von denen zwei später gegenüber NPR sagten, dass sie wieder etwas in der Lage seien, Farben zu sehen. Derzeit laufen Versuche am Menschen, bei denen CRISPR durch Gele und Cremes, durch Nahrungsmittel oder Getränke, Hauttransplantationen oder Injektionen verabreicht wird. Auch eine Ex-vivo-Verabreichung ist üblich: Dabei wird CRISPR verwendet, um eine Zelle außerhalb des Körpers zu verändern. Anschließend werden die Zellen mithilfe eines harmlosen Virus wieder in den Körper eingeschleust.

Die Ergebnisse waren bisher vielversprechend. „Ich glaube, dass wir in den nächsten drei bis fünf Jahren – möglicherweise sogar schon früher – die Zulassung für die Behandlung einiger Krankheiten erhalten werden“, erklärt Dr. Chan.

Risiken und Vorteile

Bei jeder Art von CRISPR-Therapie besteht laut Dr. Chan das Risiko, dass es zu „Off-Target-Effekten“ oder unerwarteten Nebenwirkungen kommt.

„Wenn man etwas so Grundlegendes wie die DNA verändert, weiß man einfach nicht, was passieren könnte“, erklärt er. „Es besteht immer die Möglichkeit für das Unerwartete. Es kann möglicherweise Auswirkungen auf Ihre DNA haben, die nicht beabsichtigt waren.“

Im Moment liegen ihm keine konkreten Beispiele für diese Auswirkungen vor – und er weist darauf hin, dass bestehende Forschungsergebnisse darauf hindeuten, dass das Risiko recht gering ist. Dennoch könnten Daten aus zukünftigen Forschungen eine andere Geschichte erzählen.

Dennoch sieht Dr. Chan in den kommenden Jahren „viel Potenzial“ für CRISPR.

„Das Feld bewegt sich sehr schnell“, sagt er. „Wir sehen eine kontinuierliche Verbesserung der tatsächlich verwendeten CRISPR-Tools.

„Es wird immer genauer und flexibler in Bezug auf das, was Sie tun können. Es gibt jetzt verschiedene technische modifizierte Varianten von CRISPR, die sehr spezifische, sehr genaue Änderungen mit weniger Nebenwirkungen außerhalb des Ziels ermöglichen. Ich denke also, dass die Zukunft sehr vielversprechend ist.“