Rudolf Cole
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Wie ein molekularer Ninja schneidet das Genom-Editing-Tool CRISPR-Cas9 durch ultraspezifische DNA-Segmente, um unerwünschte Teile des genetischen Codes auszuschneiden. Es ist eine präzise und vielversprechende Methode zur genetischen Bearbeitung, die in der wissenschaftlichen Forschung weit verbreitet ist. Und Wissenschaftler hoffen, dass damit eines Tages Gene selektiv entfernt werden können, die zu medizinischen Problemen wie HIV, Sichelzellenerkrankungen und Krebs führen.
Leider deutet eine neue Studie, die heute (16. Juli) in der Zeitschrift Nature Biotechnology veröffentlicht wurde, darauf hin, dass dieser Tag möglicherweise weiter entfernt ist als erwartet - und dass die zelluläre Schwertkunst von CRISPR zu weitaus mehr Kollateralschäden führen kann als bisher angenommen.
Während der Verwendung von CRISPR zur Bearbeitung der DNA sowohl in von Mäusen als auch von Menschen stammenden Zellen stellten die Autoren der Studie fest, dass große DNA-Stücke unbeabsichtigt gelöscht, neu angeordnet und auf andere Weise so stark mutiert wurden, dass Zellen in etwa 15 Prozent der Fälle ihre Funktion verloren.
Die Studie bietet die systematischste und strengste Abrechnung der potenziellen genetischen Schäden, die bisher durch CRISPR-Manipulation verursacht wurden, sagte der Studienautor Allan Bradley, ein hochrangiger Gruppenleiter und emeritierter Direktor am Wellcome Sanger Institute in England. Und die Ergebnisse könnten ein Grund sein, den Einsatz der Technologie in klinischen Umgebungen zu überdenken, bis weitere Forschungen durchgeführt werden können, sagte er.
"CRISPR ist nicht so sicher wie wir dachten", sagte Bradley. "Der DNA-Reparaturprozess ist nicht zu 100 Prozent narrensicher, und es kann Probleme geben, die weiter untersucht werden müssen."
Code knacken (offen)
Wenn Sie sich DNA vorstellen, denken Sie wahrscheinlich an eine Doppelhelix - eine verdrehte, leiterartige Folge von Buchstaben, die Ihre genetischen Informationen enthalten. Jede Sprosse der Leiter besteht aus zwei verknüpften Nukleotiden (winzigen organischen Molekülen), die als Basenpaar bekannt sind. Ihr gesamtes Genom enthält ungefähr 3 Milliarden dieser Basenpaare, aufgeteilt auf 23 Chromosomenpaare, die in jeder Zelle Ihres Körpers vorhanden sind.
Die genaue Reihenfolge dieser Basenpaare bildet Ihren einzigartigen genetischen Code. Mutationen in diesem Code - beispielsweise wenn ein Basenpaar fehlt oder auf dem Kopf steht - können dazu führen, dass verschiedene Gene ihre Funktion verlieren, was manchmal zu genetischen Störungen wie Mukoviszidose, Hämophilie und vielen Arten von Krebs führt.
CRISPR wurde entwickelt, um solche ultraspezifischen genetischen Defekte zu beseitigen, indem gezielte DNA-Sequenzen mit einem skalpellartigen Enzym namens Cas9 durchtrennt werden. Nachdem Cas9 die DNA an der festgelegten Stelle durchtrennt hat, beginnt sich dieses DNA-Segment auf natürliche Weise selbst zu reparieren. Durch diese Methode können Problemgene schnell entfernt werden, und manchmal können benutzerdefinierte genetische Sequenzen sogar in die Bruchstelle eingefügt werden, bevor sich die DNA wieder versiegelt.
Frühere Studien zu CRISPR haben nicht viele unvorhergesehene genetische Mutationen gezeigt, die durch diese präzise Schneidwirkung verursacht wurden, aber diese Studien haben möglicherweise nicht genau genug gesucht, sagte Bradley.
"Die Folgen von [CRISPR-induzierten Mutationen] können buchstäblich Millionen von Basenpaaren von der Bruchstelle entfernt sein", sagte Bradley.
In ihrer neuen Studie verwendeten Bradley und seine Kollegen CRISPR, um eine Reihe von Stammzellen aus Mäusen zu bearbeiten, und untersuchten dann systematisch die DNA-Basenpaare der Zellen, wobei sie sich immer weiter von der Schnittstelle entfernten. Durch diesen sorgfältigen Ansatz stellten die Forscher fest, dass ungefähr 15 Prozent der untersuchten Zellen so stark mutiert waren, dass sie ihre Funktion verloren.
"In der einfachsten Form sind diese Mutationen Deletionen großer DNA-Mengen", sagte Bradley (in einigen Fällen gingen Tausende von DNA-Basenpaaren verloren, nachdem sie von CRISPR manipuliert worden waren). "Aber es gibt auch viel komplexere Versionen."
Zum Beispiel, sagte Bradley, entdeckte das Team Fälle, in denen Sequenzen des genetischen Codes "verschlüsselt" oder rückwärts in den Strang eingefügt wurden. In einigen Fällen wurden lange DNA-Sequenzen, die Tausende von Basenpaaren entfernt sein sollten, versehentlich in die CRISPR-Schnittstelle eingenäht. In anderen Fällen waren Codesequenzen, die sich nicht in der Nähe der Schnittstelle befanden - einige befanden sich Millionen von Basenpaaren entfernt - ähnlich mutiert.
Nachdem das Team viele verschiedene Stellen entlang der DNA der Zelle untersucht hatte, wandte es sich anderen Zelltypen zu, einschließlich von Menschen stammenden Stammzellen, die im Labor gezüchtet wurden, um festzustellen, ob sich das Schadensmuster wiederholte. Ihre Beobachtungen blieben konsistent: Ungefähr 15 Prozent der CRISPR-manipulierten Zellen wurden auf dramatische Weise unbeabsichtigt mutiert.
Ein zufälliger Schnitt
Letztendlich sind die genauen Konsequenzen dieser Mutationen schwer abzuschätzen, da verschiedene Zelltypen unterschiedliche Operationen verwenden, um ihre DNA zu reparieren.
"Da Sie einen zufälligen Reparaturprozess für die Wiederverbindung von DNA haben, denke ich, dass alles möglich ist, wenn Sie Milliarden verschiedener Ereignisse betrachten", sagte Bradley.
Was bedeutet das für die zukünftige CRISPR-Forschung? Für Bradley sollten die Ergebnisse dieser Studie CRISPR-Cas9 nicht als vielversprechendes genetisches Forschungsinstrument diskreditieren, sondern Wissenschaftler vorsichtig machen, wenn sie über die Verwendung des Gen-Editing-Tools in einer klinischen Umgebung nachdenken.
Maria Jasin, eine Forscherin vom Memorial Sloan Kettering Cancer Center, die nicht an der Studie beteiligt war, stimmte zu. "Diese Studie zeigt, dass weitere Forschung und spezifische Tests erforderlich sind, bevor CRISPR-Cas9 klinisch angewendet wird", sagte Jasin in einer Erklärung.