Drei Gen-Scheren schneiden das Erbgut - CRISPR, TALEN, ZFN

     

Präzise wie ein chirurgischer Eingriff: Forscher haben Werkzeuge entwickelt, die Gene fast nach Belieben verändern können. Drei unterschiedliche Varianten stehen zum Einsatz bereit.

Wissenschaftler zeigen sich begeistert: Lange haben sie nach einem Weg gesucht, das Erbgut zielgenau und fehlerfrei zu verändern - und nun haben sie die Qual der Wahl1. Obwohl erst vor wenigen Jahren entwickelt, sind die sogenannten Gen-Scheren oft schon ein fester Bestandteil ihrer täglichen Arbeit geworden.

Genom

genscheren_gentherapie.php

Doch auch jenseits der Forschung zeichnen sich erste Anwendung ab. Erb­krankheiten heilen, Erreger bekämpfen, Pflanzen mit neuen Merkmalen ausstatten - das sind nur einige der denkbaren Einsatzgebiete. Der Fortschritt hat jedoch auch zwiespältige Folgen: Die genetische Manipulation des Menschen scheint nun in greifbare Nähe gerückt.

Reparatur mit Folgen

Viele dieser Hoffnungen und Ängste ranken sich um eine Methode, die unter dem Namen CRISPR bekannt wurde2. Ihre unkomplizierte Anwendung hat sie rasch zu der populärsten unter den drei Gen-Scheren gemacht. Das Wissenschafts-Journal Science kürte CRISPR daher auch zum Durchbruch des Jahres 20153; eine Auszeichnung, die von viele anderen Medien weiter­getragen wurde.

Die besondere Fähigkeit von CRISPR - und den Gen-Scheren allgemein - besteht darin, dass sie das Erbgut an einer exakt definierten Stelle schneiden kann. Der DNA-Strang wird dabei vollständig durchtrennt. Dies setzt Reparatur­mechanismen in Gang, die unverzüglich versuchen, den Schnitt wieder zu schließen - und damit Forschern ein Einfallstor für tiefgreifende Manipulationen öffnet1.

Denn diese Reparatur lässt sich in jede gewünschte Richtung lenken: Einzelne DNA-Buchstaben können ausgetauscht, größere Teile des Gens entfernt oder neue Sequenzen eingefügt werden. Das Erbgut lässt sich so fast nach Belieben verändern.

CRISPR ist unkompliziert

Mit CRISPR geht dies besonders einfach, da diese Gen-Schere aus zwei Teilen besteht4. Der erste Bestandteil bleibt immer gleich: Es handelt sich um das Protein Cas9, das ursprünglich aus dem Bakterium Streptococcus pyogenes stammt. Cas9 ist ein Enzym mit einer sogenannten Nuklease-Aktivität - es schneidet den DNA-Strang des Erbguts vollständig durch.

- Anzeige -

Der zweite Bestandteil von CRISPR ist ein RNA-Molekül. Dieses bindet an einer genau definierten Stelle des Erbguts und zeigt der Nuklease Cas9 an, an welcher Stelle der Schnitt im DNA-Strang erfolgen soll. Das RNA-Molekül ist austauschbar und wird für jede Anwendung neu erstellt. Das ist ein ent­scheidender Vorteil: RNA-Moleküle sind billig und lassen sich leicht in jeder beliebiger Form erzeugen. Jede Forscher­gruppe der Welt kann daher mit CRISPR arbeiten - selbst wenn sie nur geringe Vor­kenntnisse und bescheidene Mittel zur Verfügung hat.

ZFN sind klein

CRISPR steht zwar im Rampenlicht, ist aber nicht die erste Gen-Schere, die von Forschern entwickelt wurde. Diese Ehre gebührt einem synthetischen Protein, das Zinkfingernuklease (ZFN) genannt wird5. ZFN bestehen nur aus einer einzigen Komponente, die alle erforderlichen Funktionen erfüllt: Das Protein erkennt sein Ziel im Erbgut und schneidet es auch direkt. Das gesamte Proteine muss jedoch für jeden Einsatz neu konstruiert werden - was mit erheblich höheren Aufwand verbunden ist als die Erzeugung von RNA. Der Einsatz der ZFN bleibt daher meist wenigen Speziallabors vorbehalten.

ZFN haben jedoch auch ihre Vorzüge - sie sind deutlich kleiner als die anderen Gen-Scheren. Sie lassen sich daher auch leichter in sogenannte Genfähren oder virale Vektoren verpacken - womit die Entwicklung von Gentherapien möglich wird.

TALEN schneiden präzise

Die dritte Variante der Gen-Scheren besteht ebenfalls nur aus einem einzigen Protein6. Der Vorteil dieser sogenannten TALEN (transcription activator–like effector nucleases) besteht darin, dass sie nur selten Fehler machen. Denn obwohl alle Gen-Scheren höchst präzise arbeiten, schneiden sie in seltenen Fällen das Erbgut auch an Stellen, an denen dies nicht erwünscht ist. Bei TALEN ist die Bindungsstelle für DNA deutlich länger - sie arbeiten daher auch meist präziser.

Newsletter Gentherapie
Zwei Therapien mit CAR-T-Zellen zugelassen, Erfolg bei Parkinson und eine Gentherapie über die Haut...

Newsletter ▶

Die Präzision der Gen-Scheren eröffnet der Medizin neuartige Möglichkeiten. 2016 sollen erste Versuche starten, um die Erbkrankheit Hämophilie A mit einer zielgenauen Gentherapie zu behandeln. Und auch bei der Behandlung von AIDS oder von Blutkrebserkrankungen bei kleinen Kindern wurden erste Tests durchgeführt.

Umstrittene Anwendungen

Auch die Herstellung von gentechnisch veränderten Pflanzen ist möglich. Im Gegensatz zu bisherigen Verfahren würden die Eingriffe kaum Spuren hinterlassen - die Pflanzen würden sich von natürlich gezüchteten kaum noch unterscheiden. Hersteller von Saatgut hoffen darauf, dass diese Pflanzen dann auch nicht als "gentechnisch verändert" eingestuft werden. Diese Absicht stößt jedoch auf heftigen Widerstand von Gentechnik-Gegnern.

Ebenfalls sehr umstritten ist ein bisher unerprobter Ansatz, der sogenannte gene drive. Gen-Scheren könnten hier dazu beitragen, etwa die Bekämpfung der Malaria-Erreger zu unterstützen. Die Vorbereitungen laufen bereits, und zumindest theoretisch könnten erste Vorversuche bald beginnen.

Die Anwendungsmöglichkeiten der Gen-Scheren sind vielfältig. Auch wenn sich die Aufmerksamkeit der Medien gerade auf CRISPR konzentriert - Forscher schätzen auch die Fähigkeiten von ZFN und TALEN. Gut möglich, dass in Zukunft jede dieser Varianten ihren Platz in Medizin und Bio­technologie findet.

- Anzeige -
1 A. Maxmen, Three technologies that changed genetics, Nature 2015 (link)
2 H. Ledford, CRISPR the disruptor, Nature 2015 (link)
alle Referenzen anzeigen...

CAR-T-Zellen: zwei Therapien zugelassen

Newsletter...

Genom

genscheren_gentherapie.php
Gen-Scheren verändern Gene fast nach Belieben.

Mehr...

  • Gentherapie - Das stille Comeback einer Hoffnung mehr...
  • Personalisierte Medizin - Maßgeschneiderte Therapien dank Genom-Analyse? mehr...
  • Viren transportieren Gene - und heilen Krankheiten mehr...

Häufig besucht

zellstoff - der Blog

14. Dezember
Gene Drive: Den Teufel mit dem Beelzebub austreiben
Ein Gene Drive könnte Neuseeland von invasiven Arten befreien, aber das Risiko einer unkontrollierten Ausbreitung ist hoch.
mehr...

Kurz und knapp 

  • Gen-Scheren schneiden DNA-Stränge an genau definierten Stellen
  • die Reparatur der geschnittenen DNA-Stränge kann beliebig manipuliert werden
  • CRISPR-Cas9 ist am leichtesten anzuwenden
  • ZFN sind die kleinsten Gen-Scheren und daher gut für die Gentherapie geeignet
  • TALEN machen nur wenig Fehler