Studie zeigt Einschränkungen bei der Bewertung der Gen-Editing-Technologie bei menschlichen Embryonen auf

Eine häufig verwendete wissenschaftliche Methode zur Analyse einer winzigen DNA-Menge in frühen menschlichen Embryonen gibt die Genbearbeitung nicht genau wieder, so eine neue Studie unter der Leitung von Wissenschaftlern der Oregon Health & Science University.

Die Studie, veröffentlicht heute in der Zeitschrift Naturkommunikation, umfasste die Sequenzierung der Genome früher menschlicher Embryonen, die einer Genombearbeitung mit dem Genbearbeitungstool CRISPR unterzogen wurden. Die Arbeit stellt die Genauigkeit eines DNA-Leseverfahrens in Frage, das auf der Amplifikation einer kleinen DNA-Menge für Gentests beruht.

Darüber hinaus zeigt die Studie, dass die Genbearbeitung zur Korrektur krankheitsverursachender Mutationen in frühen menschlichen Embryonen auch zu unbeabsichtigten und potenziell schädlichen Veränderungen im Genom führen kann.

Zusammen bilden die Ergebnisse eine neue wissenschaftliche Grundlage zur Vorsicht für jeden Wissenschaftler, der bereit sein könnte, genetisch veränderte Embryonen zu verwenden, um Schwangerschaften zu etablieren. Obwohl Gen-Editing-Technologien bei der Vorbeugung und Behandlung schwächender Erbkrankheiten vielversprechend sind, zeigt die neue Studie Einschränkungen auf, die überwunden werden müssen, bevor die Gen-Editierung zur Etablierung einer Schwangerschaft als sicher oder wirksam angesehen werden kann.

„Es zeigt Ihnen, wie wenig wir über die Bearbeitung des Genoms wissen und insbesondere, wie Zellen auf die durch CRISPR verursachten DNA-Schäden reagieren“, sagte der leitende Autor Shoukhrat Mitalipov, Ph.D., Direktor des OHSU-Zentrums für embryonale Zell- und Gentherapie; und Professor für Geburtshilfe und Gynäkologie, molekulare und zelluläre Biowissenschaften, OHSU School of Medicine, OHSU Oregon National Primate Research Center. „Die Genreparatur hat großes Potenzial, aber diese neuen Ergebnisse zeigen, dass wir noch viel zu tun haben.“

Die Ergebnisse kommen während des Third International Summit on Human Genome Editing in London. Am Vorabend des letzten internationalen Gipfeltreffens, das im November 2018 in Hongkong stattfand, enthüllte ein chinesischer Wissenschaftler die Geburt der weltweit ersten Babys, die aus genmanipulierten Embryonen stammen, durch ein Experiment, das weltweite Verurteilung hervorrief.

Embryonen falsch diagnostizieren

Bevor ein bearbeiteter Embryo zur Feststellung einer Schwangerschaft übertragen werden kann, ist es wichtig sicherzustellen, dass das Verfahren wie beabsichtigt funktioniert hat.

Da frühe menschliche Embryonen nur aus wenigen Zellen bestehen, ist es nicht möglich, genügend genetisches Material zu sammeln, um sie effektiv zu analysieren. Stattdessen interpretieren Wissenschaftler Daten aus einer kleinen DNA-Probe, die einigen wenigen oder sogar einer einzelnen Zelle entnommen wurde, die dann während eines Prozesses, der als Gesamtgenom-Amplifikation bezeichnet wird, millionenfach multipliziert werden muss.

Das gleiche Verfahren – bekannt als genetische Präimplantationstests oder PGT – wird häufig verwendet, um menschliche Embryonen auf verschiedene genetische Erkrankungen bei Patienten zu untersuchen, die sich einer In-vitro-Fertilisation unterziehen.

Die Amplifikation des gesamten Genoms hat Einschränkungen, die die Genauigkeit von Gentests verringern, sagte die leitende Co-Autorin Paula Amato, MD, Professorin für Geburtshilfe und Gynäkologie an der OHSU School of Medicine.

„Die Sorge ist, dass wir Embryonen falsch diagnostizieren könnten“, sagte Amato.

Amato, der die In-vitro-Fertilisation zur Behandlung von Patienten mit Unfruchtbarkeit sowie zur Verhinderung der Übertragung von Erbkrankheiten einsetzt, sagte, dass PGT mit fortschrittlicherer Technologie immer noch klinisch nützlich ist, um Chromosomenanomalien und genetische Störungen zu erkennen, die durch eine einzelne Genmutation verursacht werden, die von einem Elternteil übertragen wird zum Kind.

Die Studie hebt die Herausforderungen bei der Feststellung der Sicherheit von Gen-Editing-Techniken hervor.

„Wir können möglicherweise nicht zuverlässig vorhersagen, dass dieser Embryo zu einem gesunden Baby führen wird“, sagte Mitalipov. „Das ist ein großes Problem.“

Um diese Probleme zu lösen, etablierten OHSU-Forscher zusammen mit Mitarbeitern von Forschungseinrichtungen in Südkorea und China embryonale Stammzelllinien aus gentechnisch veränderten Embryonen. Embryonale Stammzellen wachsen unbegrenzt und liefern reichlich DNA-Material, für dessen Analyse keine Amplifikation des gesamten Genoms erforderlich ist.

Forscher sagen, dass die Entdeckung die fehleranfällige Natur der Amplifikation des gesamten Genoms und die Notwendigkeit hervorhebt, Änderungen in Embryonen durch die Etablierung embryonaler Stammzelllinien zu überprüfen.

Studie bestätigt Genreparatur

Unter Verwendung embryonaler Stammzellen verifiziert die neue Studie den Prozess der Genreparatur, den das Labor von Mitalipov entwickelt hat; die Erkenntnisse waren in der Zeitschrift veröffentlicht Natur im Jahr 2017 und im Jahr 2018 verifiziert.

In dieser Studie schnitten Wissenschaftler eine bestimmte Zielsequenz auf einem mutierten Gen, von dem bekannt ist, dass es von einem Samenspender getragen wird.

Forscher fanden heraus, dass menschliche Embryonen diese Brüche reparieren, indem sie die normale Kopie des Gens des anderen Elternteils als Vorlage verwenden. Mitalipov und Co-Autoren bestätigten, dass dieser Prozess, der als Genkonversion bekannt ist, regelmäßig in frühen menschlichen Embryonen nach einem Doppelstrangbruch in ihrer DNA auftritt. Eine solche Wiederherstellung, wenn sie zur Herstellung einer Schwangerschaft durch In-vitro-Fertilisation und Embryotransfer verwendet wird, könnte theoretisch verhindern, dass eine bekannte familiäre Krankheit auf das Kind sowie alle zukünftigen Generationen der Familie übertragen wird.

In der 2017 veröffentlichten Studie zielten die OHSU-Forscher auf ein Gen ab, von dem bekannt ist, dass es eine tödliche Herzkrankheit verursacht.

In dieser neuen Veröffentlichung zielten die Forscher mit gespendeten Spermien und Eizellen auf andere diskrete Mutationen ab, darunter eine Mutation, von der bekannt ist, dass sie eine hypertrophe Kardiomyopathie verursacht, eine Erkrankung, bei der der Herzmuskel ungewöhnlich dick wird, und eine andere, die mit hohem Cholesterin verbunden ist. In jedem Fall induzierte ein als Cas9 bekanntes Enzym, das zusammen mit CRISPR verwendet wurde, einen Doppelstrangbruch in der DNA genau an der Stelle der Mutation.

Probleme schaffen

Neben der Replikation und Bestätigung des 2017 berichteten Genreparaturmechanismus untersucht die neue Studie, was im Genom jenseits der spezifischen Stelle passiert, an der das mutierte Gen repariert wird. Und genau da kann ein Problem auftreten.

„In diesem Artikel haben wir gefragt, ‚wie umfangreich ist dieser Reparaturmechanismus der Genumwandlung?'“, sagte Amato. „Es stellt sich heraus, dass es sehr langwierig sein kann.“

Umfangreiches Kopieren des Genoms von einem Elternteil zum anderen führt zu einem Szenario, das als Verlust der Heterozygotie bekannt ist.

Jeder Mensch teilt zwei Versionen oder Allele jedes Gens im menschlichen Genom – eine von jedem Elternteil. Meistens sind die Allele identisch, da 99,9 % der DNA-Sequenz eines Individuums mit dem Rest der Menschheit geteilt wird. In einigen Fällen trägt jedoch ein Elternteil eine rezessive krankheitsverursachende Mutation, die normalerweise durch die dominante gesunde Version desselben Gens des anderen Elternteils aufgehoben wird.

Diese Polymorphismen im genetischen Code können von entscheidender Bedeutung sein. Beispielsweise kann ein Gen für ein Protein kodieren, das vor bestimmten Krebsarten schützt.

„Wenn Sie eine abnormale Kopie einer rezessiven Mutation haben, stellt dies möglicherweise kein Risiko dar“, sagte Amato. „Aber wenn Sie einen Verlust der Heterozygotie haben, der zu zwei mutierten Kopien desselben Tumorsuppressorgens führt, haben Sie jetzt ein deutlich erhöhtes Krebsrisiko.“

Je mehr genetischer Code kopiert wird, desto größer ist das Risiko gefährlicher genetischer Veränderungen. In der neuen Studie maßen Wissenschaftler Genumwandlungswege, die von einem relativ kleinen Segment bis zu einer Größe von 18.600 DNA-Basenpaaren reichten.

Tatsächlich kann die Reparatur einer bekannten Mutation mehr Probleme schaffen als sie löst.

„Wenn Sie in der Mitte eines Chromosoms schneiden, könnten dort 2.000 Gene vorhanden sein“, sagte Mitalipov. „Sie reparieren einen winzigen Fleck, aber all diese Tausende von Genen stromaufwärts und stromabwärts können betroffen sein.“

Das Ergebnis deutet darauf hin, dass noch viel mehr Forschung erforderlich ist, um den Mechanismus der Gen-Editierung zu verstehen, bevor er klinisch zur Etablierung einer Schwangerschaft eingesetzt wird.