Im letzten Jahrzehnt hat die Genbearbeitung durch CRISPR-Cas9 die Wissenschaft revolutioniert. Es wurde als Durchbruch in der Biogenetik und Medizin gepriesen, mit dem Potenzial, viele chronische oder genetisch bedingte Krankheiten zu behandeln oder zu beseitigen.
Die Technik schneidet DNA an einer präzisen Zielstelle. Wo der Schnitt erfolgen wird, wird durch einen RNA-Strang, den sogenannten RNA-Leitfaden, bestimmt, der eine Nukleotidsequenz trägt, die zur Ziel-DNA-Sequenz komplementär ist. Der RNA-Guide durchläuft die DNA, bis er die genaue Zielsequenz lokalisiert. An den RNA-Leitfaden ist das Enzym Cas9 gebunden, das oft mit einer Schere verglichen wird. Sobald der RNA-Guide die Zielsequenz findet, spaltet Cas9 das DNA-Molekül genau dort, wo der RNA-Guide es anzeigt. Dieser Prozess ermöglicht es Wissenschaftlern, bestimmte Gene präziser und einfacher als je zuvor zu inaktivieren oder zu verändern.
Der CRISPR-Mechanismus hat sich auf natürliche Weise entwickelt, wahrscheinlich vor mehr als einer Milliarde Jahren. Wissenschaftler haben es für die Genbearbeitung genutzt, aber sie haben es nicht geschaffen. „Die breite Öffentlichkeit mag denken, dass CRISPR für die Bearbeitung des Genoms geboren wurde, aber es ist tatsächlich das Arbeitspferd eines natürlichen Immunsystems, das in Bakterien und Archaeen vorkommt“, erklärt Ailong Ke, Molekularbiologie und Genetik. „Es bekämpft Viren, indem es das Genom der Viren in Stücke schneidet und zerkleinert.“
Als Biochemiker mit besonderem Interesse an der RNA-Biologie fand Ke das CRISPR-Cas-System unwiderstehlich. Er und sein Labor widmen sich der Erforschung der zugrunde liegenden Mechanismen. Mit modernsten Werkzeugen wie der Kryo-Elektronenmikroskopie und der Röntgenkristallographie – die beide makromolekulare Strukturen auf atomarer Ebene aufdecken können – blicken die Forscher in die Zahnräder der CRISPR-Cas-Maschinerie.
„Unser grundlegender Antrieb ist die wissenschaftliche Neugier“, sagt Ke. „Wir wollen verstehen, wie das System funktioniert. Ein gutes Verständnis des Systems führt zu interessanten Ideen, wie man es nutzen kann. Es ist ein so mächtiges Werkzeug: Es ist hochspezifisch. Es verändert dauerhaft die genetische Information in Zellen, was tiefgreifende Konsequenzen hat.“ . Die Technologie ist vielversprechend, um seltene genetische Krankheiten zu heilen oder Krebs und Viren zu bekämpfen.“
Die Kraft von CRISPR-Cas3
Das natürlich vorkommende CRISPR-Cas-System in Bakterien kann auf einem beliebigen Enzym der Cas-Familie basieren. Während über Cas9 in der gesamten Presse berichtet wurde, erforschte das Ke-Labor seinen komplizierteren Cousin, CRISPR-Cas3, der bei Bakterien sehr beliebt ist. Fast 50 % der bekannten CRISPR-Cas-Systeme in der Natur nutzen Cas3, erklärt Ke.
„Cas3 hat eine andere Zusammensetzung und Aktivität als Cas9“, sagt er. „Cas3 spaltet die DNA nicht nur, sondern zerfetzt sie auch in Stücke. Die Folgen sind dramatisch. Die Fähigkeit von Cas3, das virale Genom vollständig zu löschen, könnte zu seiner Beliebtheit bei Bakterien beigetragen haben.“
Obwohl es leistungsstark ist, wird CRISPR-Cas3 aufgrund seiner Komplexität selten in Anwendungen zur Genombearbeitung eingesetzt. „Es ist schwer, es für Genom-Editing-Anwendungen in menschlichen Zellen zu bändigen“, sagt Ke. „Deshalb haben wir mit der Grundlagenforschung begonnen, um zunächst zu verstehen, wie es im Reagenzglas funktioniert.“
Nachdem Ke und sein Labor die Funktionsweise des Systems gut im Griff hatten, gründeten sie Kooperationen mit anderen Forschern – darunter dem Genom-Editing-Experten Yan Zhang von der University of Michigan –, um CRISPR-Cas3 für die Genom-Editierung in menschlichen Zellen zu nutzen. Diese Arbeit ebnete den Weg für die potenzielle Anwendung von CRISPR-Cas3 zur Behandlung menschlicher genetischer Krankheiten und zur Ausrottung von Viren wie Herpes und Hepatitis B, die menschliche Zellen dauerhaft infizieren.
„Es gibt noch viele Hürden, die wir überwinden müssen“, sagt Ke. „Wie bringen wir beispielsweise unser CRISPR-Cas3-Tool in Zellen ein? Wir müssen auch sicherstellen, dass jedes auf CRISPR-Cas3 basierende Therapeutikum sowohl wirksam als auch sicher ist.“
Bahnbrechende Anwendungen
Ke und sein Labor prüfen mehrere Anwendungen für ihr CRISPR-Cas3-Tool. „Eine Idee, die wir hatten, war, es so zu programmieren, dass es ein virales Genom in Stücke zerschneidet, so wie ein Bakterium es verwenden würde“, sagt Ke. „Aber wir haben noch eine andere Idee, die uns wirklich begeistert: die Möglichkeit, es als Krebsbehandlung einzusetzen.“
Ke weist darauf hin, dass die Menschheit in eine Ära der personalisierten Medizin eintritt, in der Therapien genau auf den Einzelnen zugeschnitten werden. „Wir werden immer leistungsfähigere therapeutische Instrumente einsetzen und Krankheiten mit immer größerer Genauigkeit bekämpfen“, sagt er. „Unsere CRISPR-Cas3-Antikrebsanwendung hat das Potenzial, ein Teil davon zu sein. Wir zielen auf bestimmte Mutationen in Krebszellen ab, um eine Heilung zu erreichen. Wenn sich unser Ansatz als erfolgreich erweist, wird dies eine wirklich wirkungsvolle Forschung sein.“
Als Ke 2008 als Wissenschaftler begann, war CRISPR ein Neuland in der RNA-Biologie. „Es wurden nur etwa 30 Artikel über CRISPR veröffentlicht, und ich habe jeden einzelnen davon gelesen“, sagt er. „Heute werden Zehntausende von Artikeln veröffentlicht. Ich kann nicht mithalten. Wenn ein Fachgebiet so gesund ist, steigen die Veröffentlichungen in einer exponentiellen Kurve.“
„Ich erinnere mich, dass ich diese frühen Arbeiten gelesen habe und mich gefragt habe, welche Mechanismen zum Verhalten dieser Makromoleküle führten“, fährt er fort. „Wir haben uns alle den Kopf zerbrochen und versucht, Erklärungen zu finden. Als wir endlich anfingen, die Mechanismen zu verstehen, übertraf der Erfolg unsere kühnsten Träume.“