Im Jahr 2007 beschritt Luciano Marraffini einen damals wissenschaftlich einsamen Weg: CRISPR zu verstehen, das erst etwa ein Jahrzehnt zuvor in Bakterien entdeckt worden war.
Siebzehn Jahre später wissen wir alle, was CRISPR ist: eine Revolution in der Medizin; ein einmaliger wissenschaftlicher Durchbruch; das vielversprechendste Werkzeug für die Gentherapie, das jemals entdeckt wurde. Aber damals waren „gehäufte, regelmäßig beabstandete kurze palindromische Wiederholungen“ lediglich seltsame genetische Fragmente ohne bekannten Zweck.
„Als ich anfing, deutete nichts darauf hin, dass es eines Tages Menschen helfen würde, genetisch bedingte Krankheiten zu heilen“, erinnert sich Marraffini.
Interessanterweise ging eine Theorie jedoch davon aus, dass CRISPR Teil des bakteriellen Abwehrsystems sei, das von Bakterien eingesetzt werde, um das Eindringen von Viren (Phagen genannt) und fremden genetischen Fragmenten (Plasmiden genannt) abzuwehren. Marraffini, damals Postdoktorand an der Northwestern University, war Spezialist für pathogene Bakterien und untersuchte, wie sie in uns eindringen. Als er sich CRISPR zuwandte, drehte er das Drehbuch um und versuchte zu verstehen, wie sie selbst auf Angriffe reagieren. Wenn CRISPR eine Waffe wäre, wollte er wissen, wie sie geschmiedet und geschwungen wurde.
Sein konzeptioneller Neuanfang zahlte sich aus: Innerhalb von zwei Jahren veröffentlichte er bahnbrechende Erkenntnisse auf CRISPR und leisten damit Pionierarbeit auf dem aufstrebenden Gebiet der Genommedizin.
Es stellt sich heraus, dass CRISPR ein genetisches Skalpell ist, das die DNA von Eindringlingen mit bemerkenswerter Präzision schneidet und würfelt. Wie bahnbrechende Forschungen von Marraffini und anderen seitdem gezeigt haben, ermöglicht die Übertragung von CRISPR-Cas9 (einem Protein, das für seine Funktionalität unerlässlich ist) auf den Menschen, dass Wissenschaftler nicht die DNA von Eindringlingen, sondern unsere eigenen genetischen Pannen herausschneiden, die Krankheiten verursachen.
Diese Entdeckungen trugen schnell Früchte. Sowohl das Vereinigte Königreich als auch die USA haben kürzlich die erste CRISPR-basierte Gentherapie zur Behandlung der Sichelzellenanämie zugelassen, und weitere Zulassungen sind in Planung. Der Startschuss für die Behandlung der Blutkrankheit Beta-Thalassämie, die mit Anämie und Wachstumsstörungen einhergeht, wird voraussichtlich im Frühjahr 2024 erfolgen. Weitere CRISPR-basierte Behandlungen werden derzeit für Leukämie, Speiseröhren-, Lungen- und Gebärmutterhalskrebs sowie die Huntington-Krankheit evaluiert Krankheiten und andere schwerwiegende Erkrankungen.
„Ich finde es erstaunlich“, sagt Marraffini, Rockefellers Kayden Family Professor. „Die meisten Wissenschaftler, insbesondere in den biomedizinischen Wissenschaften, hoffen, einen positiven Einfluss auf die Gesellschaft zu haben. Ich fühle mich sehr privilegiert, etwas getan zu haben, das den Menschen hilft.“
Von Finanzen bis Biotechnologie
Marraffini wurde zum ersten Mal als Kind in Rosario, Argentinien, von der Wissenschaft fasziniert, wo futuristische Romane wie „Blade Runner“ seine Fantasie anregten. Doch in der High School studierte er Finanzen, ein praktischer Weg, den seine Eltern, ein Architekt und ein Lehrer, förderten.
Doch die Aussicht auf eine Karriere im Geldmanagement ließ ihn uninspiriert zurück, und an der Universität von Rosario wechselte er zum Studium der Biotechnologie. Es war Anfang der 90er Jahre und die jüngsten Durchbrüche in der Genetik faszinierten ihn: Innerhalb weniger Jahre wurde das Humangenomprojekt gestartet, die erste grobe Karte aller 23 menschlichen Chromosomenpaare veröffentlicht und die erste staatlich genehmigt In den USA wurde eine Gentherapie erfolgreich bei einem 4-jährigen Mädchen mit einer Immunerkrankung eingesetzt.
Nachdem Marraffini seinen Abschluss gemacht hatte, rief das Agrarbiotechnologieunternehmen Monsanto an und er arbeitete dort einige Jahre lang und versuchte, die Pflanzenzüchtung durch Genetik zu beschleunigen. Aber auch das fühlte sich unerfüllt an.
„Ich wollte mit einigen Organismen spielen können – um Wissenschaft auf eine Weise zu betreiben, bei der es nicht zu viele Einschränkungen gibt“, erinnert er sich. „Wenn man mit Pflanzen arbeitet, muss man lange warten, bis sie wachsen. Aber Bakterien wachsen sehr schnell.“
So fand er seinen Doktortitel. Student im Labor des berühmten Mikrobiologen Olaf Schneewind an der University of Chicago, wo er untersuchte, wie bakterielle Eindringlinge Proteine und Enzyme nutzen, um unser Gewebe zu besiedeln, unserem Immunsystem zu entgehen und krankheitserregende Toxine zu produzieren. Dort erregte CRISPR seine Aufmerksamkeit.
Genetische Clips
Er vertiefte seine Forschung im Labor von Erik Sontheimer an der Northwestern University, der RNA-Interferenz (RNAi) untersuchte, einen damals neu entdeckten zellulären Mechanismus, der die eigene DNA-Sequenz eines Gens nutzt, um die Genexpression zum Schweigen zu bringen. (Einige Jahre zuvor hatte Thomas Tuschl von Rockefeller gezeigt, dass es möglich war RNAi in menschlichen Zellen einzusetzen.)
„Das Einzige, was RNAi mit CRISPR gemeinsam hat, ist, dass es kleine RNAs verwendet“, sagt Marraffini. „Deshalb habe ich Erik kontaktiert. Er erkannte sofort das Potenzial von CRISPR, obwohl sein Labor keine Fachkenntnisse darin hatte.“
Marraffini fand bald ein CRISPR-System in Staphylococcus epidermidis, einem häufigen Mitglied des menschlichen Hautmikrobioms. Dort verhinderte es, dass Plasmide Amok laufen. (Plasmide haben eine rätselhafte Beziehung zu Bakterien; sie können sowohl schädlich als auch nützlich sein.) Dies war eine Bestätigung dafür, dass CRISPR tatsächlich Teil des bakteriellen Abwehrsystems war. Als nächstes musste er herausfinden, wie es eingesetzt wurde.
Marraffini verbrachte das nächste Jahr damit, an S. epidermidis herumzubasteln, und enthüllte in einer Arbeit aus dem Jahr 2008, dass CRISPR Führungs-RNA verwendet, um die DNA des Plasmids zu zerstören. Dadurch deaktiviert, können sich diese Eindringlinge nicht mehr vermehren.
Andere Untersuchungen ergaben, dass das CRISPR-System auch genetische Clips des Eindringlings als sogenannte „Spacer“ in seiner eigenen DNA speichert, sodass er eine Immunantwort auslösen kann, wenn er in Zukunft auf dieselbe Sequenz trifft. CRISPR würde sich als weit verbreitetes Abwehrsystem erweisen, das natürlicherweise in 40 Prozent der Bakterien und praktisch allen einzelligen Organismen, den sogenannten Archaeen, vorkommt.
Aber wie sieht es mit dem Potenzial von CRISPR zur Manipulation menschlicher DNA aus? Im Jahr 2008 schien das so Science-Fiction zu sein wie die biotechnologisch hergestellten „Blade Runner“-Replikanten – und doch lag es nicht außerhalb des Bereichs des Möglichen, wie Marraffini und Sontheimer in der bahnbrechenden Arbeit vorsichtig feststellten.
„Die Fähigkeit, die spezifische, adressierbare Zerstörung der DNA zu steuern“, schrieben sie, „könnte einen erheblichen funktionellen Nutzen haben, insbesondere wenn das System außerhalb seines natürlichen bakteriellen oder archaischen Kontexts funktionieren kann.“
Von Plasmiden bis hin zu Menschen
Kurz darauf, im Jahr 2010, kam Marraffini nach Rockefeller und gründete das Labor für Bakteriologie, wo er begann zu testen, ob ein CRISPR-System tatsächlich außerhalb seines ursprünglichen Kontexts funktionieren könnte. Inspiriert von Oswald Avery, dem Rockefeller-Forscher, der anhand eines Stammes von Streptococcus pneumoniae bewies, dass DNA der Träger von genetischem Material ist, schnitt Marraffini das CRISPR-System – zusammen mit seinem wichtigen Spotter-Protein Cas9 – aus einem verwandten Stamm, Streptococcus pyogenes, heraus. und fügte es in S. pneumoniae ein, dem das Abwehrsystem fehlte. In diesem veränderten Organismus programmierte er Cas9 erstmals so, dass es jede DNA-Sequenz, auf die es abzielte, erkennen und zerschneiden konnte.
Im Jahr 2012 spalteten die zukünftigen Nobelpreisträger Jennifer Doudna und Emmanuelle Charpentier DNA mit Cas9 in einem Reagenzglas. Ein Jahr später zeigte Marraffini in einer bahnbrechenden Zusammenarbeit mit Feng Zhang vom Broad Institute, dass es möglich war, dasselbe in menschlichen Zellen zu tun. Forscher an anderen Institutionen – darunter der George Church in Harvard, die bereits 1984 die erste Methode zur direkten Genomsequenzierung entwickelt hatte – kamen zu ähnlichen Schlussfolgerungen.
Seitdem hat Marraffini weiterhin bahnbrechende Entdeckungen über die Funktionsweise verschiedener CRISPR-Cas-Systeme gemacht, manchmal in Zusammenarbeit mit anderen Rockefeller-Laboren. Es wurden sechs Typen und 19 Untertypen entdeckt. Angesichts der außergewöhnlichen Vielfalt der Bakterien – und der Phagen, deren Zahl den Bakterienarten 10 zu 1 überlegen sein kann – ist es wahrscheinlich, dass noch mehr Arten identifiziert werden. Einige dieser Systeme schneiden Phagen- oder Plasmid-DNA ab, andere RNA und wieder andere eine Kombination. Manche greifen den Eindringling nicht direkt an, sondern lösen stattdessen eine Kamikaze-Mission aus, die die Zelle und den Phagen mit ihr vernichtet, wie Marraffinis Labor kürzlich in einer Variante herausgefunden hat.
Sein Labor arbeitet auch an der Entdeckung und Charakterisierung neuartiger Anti-Phagen-Abwehrsysteme – Nicht-CRISPR-Verstärkungen in der bakteriellen Festung. Genau wie CRISPR könnten diese noch unentdeckten Mechanismen eines Tages zu neuen Werkzeugen und Behandlungen führen.
Jenseits des Labors
Marraffini ist außerdem Mitbegründer und Berater zweier Unternehmen, die direkt CRISPR-Cas-Therapien zur Behandlung verschiedener Krankheiten entwickeln. Intellia Therapeutics hat Projekte zur Behandlung von Lebererkrankungen, Lungenerkrankungen und zwei Gerinnungserkrankungen (Hämophilie A und B) in der Pipeline. Behandlungen für zwei seltene genetische Erkrankungen – Transthyretin-Amyloidose, die durch die Ansammlung eines von der Leber erzeugten Proteins gekennzeichnet ist, und das hereditäre Angioödem, das wiederkehrende Episoden schwerer Schwellungen verursacht – befinden sich beide in klinischen Studien.
Eligo hingegen versucht, das bakterielle Abwehrsystem gegen sich selbst zu richten – oder zumindest gegen andere Bakterien. „Ziel ist es, mit CRISPR bakterielle Infektionen zu behandeln“, beschreibt er. „So wie CRISPR einen Phagen abtöten kann, kann man es so programmieren, dass es ein Bakterium abtötet. Das ist technologisch gesehen nicht einfach, aber das ist es, was wir anstreben.“
Die schöne neue Welt der Genbearbeitung hat sich doch als nicht so Science-Fiction erwiesen. Es ist nur Wissenschaft. „Es ist uns gelungen, dieses natürliche System so gut zu programmieren, dass wir es erstaunlich schnell in die klinische Anwendung überführen konnten“, sagt Marraffini. „Die CRISPR-Geschichte ist wirklich ein Beweis für die Bedeutung der Grundlagenforschung.“