Effizienz des Redigierens im Erbgut gesteigert
Sie trägt einen komplizierten Namen und ist eine neue Gentechnikmethode, die Forscher weltweit elektrisiert: die CRISPR-Cas9-Technik, mit der sich das Erbgut von Zellen und Organismen präzise und mit hoher Effizienz redigieren lässt. Jetzt haben Dr. Van Trung Chu und Prof. Klaus Rajewsky vom Max-Delbrück-Centrum (MDC) Berlin-Buch sowie Dr. Ralf Kühn (MDC und Berliner Institut für Gesundheitsforschung, BIH) das Verfahren, mit dem Gene gezielt verändert werden können, durch molekulare Tricks deutlich effizienter gemacht. Die Erfolgsrate der Methode konnte um das Achtfache erhöht werden, was die Grundlagenforschung massiv beschleunigt.
„Wofür früher Jahre benötigt wurden, genügen jetzt Monate“, hebt der Genforscher und Immunologe Prof. Rajewsky die Bedeutung der CRISP-Cas9-Technik zur Modifizierung des Genoms hervor. Das CRISP-Cas9-Verfahren macht Forschung nicht nur erheblich schneller, sondern ist zugleich auch effizienter und preiswerter als bisherige Verfahren und zudem leichter zu handhaben.
Die CRISPR-Cas9-Technik ermöglicht es an ausgewählten Positionen im Genom von Zellen oder Modellorganismen gezielte DNA-Doppelstrangbrüche zu erzeugen. An solchen künstlich herbeigeführten Bruchstellen können Forscher Gene einfügen, herausschneiden oder den genetischen Code nach Wunsch verändern.
Säugetierzellen verfügen über zwei verschiedene natürliche Mechanismen, um entstandene DNA-Doppelstrangbrüche zu reparieren. Der HDR (homology-directed repair) Reparaturweg ermöglicht das Einfügen (Insertion) vorgeplanter Genmodifikationen mit von außen zugeführten DNA-Molekülen, die Sequenzidentität mit dem Zielgen besitzen und als Reparaturmatrize dienen. Die HDR Reparatur ist sehr präzise aber nur wenig effizient.
Der andere Reparaturmechanismus, NHEJ (non-homologous end joining), ist in der Natur wesentlich häufiger und effizienter, da hierbei die DNA-Stränge ohne Reparaturmatrize einfach wieder neu verbunden werden, wobei häufig aber kurze Sequenzbereiche verloren werden. Die NHEJ Reparatur ermöglicht somit nur die Erzeugung kurzer, unpräziser Deletionen, also der Entfernung von DNA-Bausteinen, aber nicht von Insertionen und vorgeplanter Sequenzmodifikationen im Genom.
Viele Forscher arbeiten im Labor daran, die Reparaturverfahren für präzisere Modifizierungen des Genoms ohne Redigierfehler zu optimieren, so auch Dr. Van Trung, Prof. Rajewsky und Dr. Kühn. Ihnen gelang es jetzt, die Effizienz des präziser arbeitenden Reparaturverfahrens HDR zu erhöhen, indem sie den in Zellen dominanten Reparaturgehilfen von NHEJ, das Enzym DNA Ligase IV, vorübergehend ausschalteten. Dazu setzen sie unter anderem Proteine und „small molecules“ ein.
„Wir nutzen die Trickkiste der Natur, indem wir mit Hilfe von Proteinen von Adenoviren die Ligase IV blockierten und so die Effizienz des Verfahrens bis um das Achtfache erhöhen konnten“, sagt Dr. Kühn. So gelang es den Forschern in über 60 Prozent aller manipulierten Mauszellen ein Gen an einer bestimmten Stelle ins Genom einzufügen (Knock-In). Dr. Kühn leitet am MDC seit kurzem die Forschungsgruppe „iPS zellbasierte Krankheitsmodellierung“ und war zuvor am Helmholtz Zentrum München tätig. „Die Expertise von Ralf Kühn ist für die Genforschung am MDC und für unsere Forschungsgruppe von enormer Bedeutung“, betont Prof. Rajewsky.
Zeitgleich mit der Arbeit der MDC-Forscher ist eine weitere, ähnliche Publikation zur CRISPR-Cas9-Technologie ebenfalls in Nature Biotechnology erschienen. Sie stammt aus dem Labor von Hidde Ploegh am Whitehead Institut in Cambridge, MA, USA.
Ziel: Somatische Gentherapie von Krankheiten mit der CRISP-Cas9-Technik
Forscher setzen die erst 2012 entwickelte CRISP-Cas9-Technik bereits zur Korrektur von Gendefekten bei Mäusen im Labor ein. Eine weitere Einsatzmöglichkeit sind im Labor erstellte induzierte pluripotente Stammzellen (iPS), die in bestimmte menschliche Zellen oder Gewebe weiterentwickelt werden können. Mit den neuen Werkzeugen der CRISPR-Cas9 Technik können jetzt in Patienten identifizierte, krankheitsassoziierte Mutationen in iPS-Zellen eingeführt werden und ermöglichen die Erforschung von Krankheitsmechanismen direkt in menschlichen Zellen. „Langfristiges Ziel ist ebenfalls, die CRISPR-Cas9-Technik auch für die somatische Gentherapie beim Menschen zur Behandlung schwerer Erkrankungen einzusetzen“, erklärt Prof. Rajewsky.
Prof. Rajewsky: „Eines der aktuellsten Gebiete in den Lebenswissenschaften und ein innovatives Feld“
„Die Anwendung der CRISPR-Cas9-Technik ist derzeit eines der aktuellsten Themen in den Lebenswissenschaften und ein innovatives Feld“, erklärt Prof. Rajewsky. Er weist darauf hin, dass die neuen Möglichkeiten eines gezielten Redigierens des Erbguts in den USA zurzeit eine intensive Debatte ausgelöst haben, weil die neuen Präzisionswerkzeuge theoretisch auch gezielte Veränderungen der Keimbahn des Menschen ermöglichen. Letztere sind zwar in vielen Ländern, so auch Deutschland, gesetzlich verboten, aber ein weltweites Verbot gibt es nicht. Die MDC-Forscher sind zwar von den durch die CRISPR-Cas9-Technologie eröffneten neuen Chancen für die Grundlagenforschung und Biomedizin fasziniert, lehnen aber gentechnische Manipulation der menschlichen Keimbahn strikt ab.
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