„Soft“ CRISPR bietet möglicherweise eine neue Lösung für genetische Defekte

Die Heilung schwächender genetischer Krankheiten ist eine der großen Herausforderungen der modernen Medizin. Während des letzten Jahrzehnts brachten die Entwicklung von CRISPR-Technologien und Fortschritte in der Genforschung neue Hoffnung für Patienten und ihre Familien, obwohl die Sicherheit dieser neuen Methoden immer noch Anlass zu großer Sorge gibt.

Veröffentlichung am 1. Juli in der Zeitschrift Wissenschaftliche Fortschritte, ein Team von Biologen an der University of California San Diego, zu dem die Postdoktorandin Sitara Roy, die Spezialistin Annabel Guichard und Professor Ethan Bier gehören, beschreibt einen neuen, sichereren Ansatz, der genetische Defekte in Zukunft korrigieren könnte. Ihre Strategie, die sich die natürliche DNA-Reparaturmaschinerie zunutze macht, bietet eine Grundlage für neuartige Gentherapiestrategien mit dem Potenzial, ein breites Spektrum genetischer Krankheiten zu heilen.

In vielen Fällen tragen diejenigen, die an genetischen Störungen leiden, unterschiedliche Mutationen in den beiden Genkopien, die sie von ihren Eltern geerbt haben. Dies bedeutet, dass eine Mutation auf einem Chromosom häufig ein funktionales Sequenzgegenstück auf dem anderen Chromosom hat. Die Forscher setzten CRISPR-Geneditierungswerkzeuge ein, um diese Tatsache auszunutzen.

„Die gesunde Variante kann von der Reparaturmaschinerie der Zelle verwendet werden, um die defekte Mutation nach dem Schneiden der mutierten DNA zu korrigieren“, sagte Guichard, der leitende Autor der Studie, „Bemerkenswerterweise kann dies durch einen einfachen harmlosen Schnitt noch effizienter erreicht werden. „

Die Forscher arbeiteten an Fruchtfliegen und entwarfen Mutanten, die die Visualisierung einer solchen „homologen Chromosomen-Template-Reparatur“ oder HTR durch die Produktion von Pigmenten in ihren Augen ermöglichen. Solche Mutanten hatten ursprünglich ganz weiße Augen. Aber als dieselben Fliegen CRISPR-Komponenten (eine Leit-RNA plus Cas9) exprimierten, zeigten sie große rote Flecken über ihren Augen, ein Zeichen dafür, dass es der DNA-Reparaturmaschinerie der Zelle gelungen war, die Mutation mit der funktionellen DNA des anderen Chromosoms umzukehren.

Anschließend testeten sie ihr neues System mit Cas9-Varianten, die als „Nickasen“ bekannt sind und nur auf einen DNA-Strang statt auf beide abzielten. Überraschenderweise stellten die Autoren fest, dass solche Kerben auch zu einer Wiederherstellung der roten Augenfarbe auf hohem Niveau führten, die fast auf dem Niveau normaler (nicht mutierter) gesunder Fliegen lag. Sie fanden eine Reparaturerfolgsrate von 50–70 % mit der Nickase im Vergleich zu nur 20–30 % beim zweisträngigen Schneiden von Cas9, das auch häufige Mutationen erzeugt und auf andere Stellen im gesamten Genom abzielt (sogenannte Off-Target-Mutationen). „Ich konnte nicht glauben, wie gut die Nickase funktionierte – es war völlig unerwartet“, sagte Roy, der Hauptautor der Studie. Die Vielseitigkeit des neuen Systems könnte als Modell für die Fixierung genetischer Mutationen bei Säugetieren dienen, stellten die Forscher fest.

„Wir wissen noch nicht, wie sich dieser Prozess auf menschliche Zellen übertragen lässt und ob wir ihn auf irgendein Gen anwenden können“, sagte Guichard. „Einige Anpassungen können erforderlich sein, um eine effiziente HTR für krankheitsverursachende Mutationen zu erhalten, die von menschlichen Chromosomen getragen werden.“

Die neue Forschung erweitert die bisherigen Errungenschaften der Gruppe in der Präzisionsbearbeitung mit „Allel-Antrieben“, die die Prinzipien von Gene-Drives mit einer Leit-RNA erweitern, die das CRISPR-System anweist, unerwünschte Varianten eines Gens auszuschneiden und durch eine bevorzugte Version zu ersetzen des Gens.

Ein Hauptmerkmal der Forschung des Teams ist, dass ihr Nickase-basiertes System weitaus weniger On- und Off-Target-Mutationen verursacht, als es bekanntermaßen bei traditionelleren Cas9-basierten CRISPR-Bearbeitungen der Fall ist. Sie sagen auch, dass sich eine langsame, kontinuierliche Lieferung von Nickase-Komponenten über mehrere Tage als vorteilhafter erweisen könnte als einmalige Lieferungen.

„Ein weiterer bemerkenswerter Vorteil dieses Ansatzes ist seine Einfachheit“, sagte Bier. „Es ist auf sehr wenige Komponenten angewiesen und DNA-Schnitte sind ‚weich‘, im Gegensatz zu Cas9, das vollständige DNA-Brüche produziert, die oft von Mutationen begleitet werden.“

„Wenn die Häufigkeit solcher Ereignisse erhöht werden könnte, entweder durch Förderung der Paarung zwischen Homologen oder durch Optimierung von Nick-spezifischen Reparaturprozessen, könnten solche Strategien genutzt werden, um zahlreiche dominante oder trans-heterozygote krankheitsverursachende Mutationen zu korrigieren“, sagte Roy.