Medizin

Das System fußt in einem 2007 entdeckten Abwehrsystem der Bakterienart Streptococcus pyogenes, die sich hiermit gegen Viren, sog. Bakteriophagen, schützen. Bei einer ersten Infektion durch die Viren integrieren die Bakterien virale Gene in ihr Genom und nutzen diese später als Erkennungssequenz bei einer erneuten Infektion. Auf diese Weise können sie die Nukleinsäure des Virus gezielt eliminieren, ohne Gefahr zu laufen, das eigene Genom zu schädigen (2).

Genom Editing

Schon länger wird daran gearbeitet, wie sich künstlich ins Genom verschiedener Organismen eingreifen lässt. Anfangs wurden Mutanten durch klassische Mutagenese mittels Chemikalien oder UV-Licht induziert. Diese enthalten relativ wahllos Mutationen im Genom und müssen durch Rückkreuzung aufwändig auf die gewünschten Veränderungen selektioniert werden. Im letzten Jahrzehnt wurden dann gezielt Nukleinsäure-schneidende Enzyme wie Zinkfingernucleasen und die künstlichen Restriktionsenzyme TALEN (Transcription activator-like effector nuclease) entwickelt. Diese Editing-Systeme bestehen aus einem spezifisch an DNA-bindenden Erkennungsprotein und einer DNA-spaltendenden Endonuclease. Wird beides in eine Zelle eingebracht, bindet das Erkennungsprotein an die zu verändernde DNA und die Endonuclease schneidet und modifiziert die Sequenz. Die bisherigen Systeme sind aber nicht zuletzt wegen der Herstellung des Erkennungsproteins relativ kosten- und zeitintensiv sowie im Editing fehleranfällig (3).

Auch das CRISPR/Cas9-System (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats/Cas9 (CRISPR-associated)-System 9), besteht aus 2 Basiselementen: zum einen die Cas9-Endonuclease zum Schneiden der Zielzell-DNA, zum anderen ein kurzes RNA-Molekül (sgRNA, single guide RNA), das als Leit- und Erkennungssequenz die Endonuclease an die relevante Stelle im Genom leitet und die auszutauschende Sequenz mitführt. In die Zelle eingebracht, wandert die sgRNA die DNA entlang und sucht den passenden Abschnitt im Genom. Durch die Bindung der sgRNA an Cas9 wird auch die eigentliche Schere an die passende Stelle geführt und schneidet die DNA zielgenau. Nun wird die neue Matrize eingebaut und der Schnitt durch das zelleigenen Reparatursysteme wieder versiegelt. Die abgeänderte Sequenz wird bei der nachfolgenden Zellteilung an die nächste Generation weitergegeben und ist damit fixiert. Für das Einbringen des CRISPR/Cas9-Systems in Zellen werden verschiedener Transfersysteme untersucht, die von viralen Vektorsystemen bis Liposomen (Nanopartikel) reichen. Im Vergleich zu anderen Editing-Systemen wie Zinkfingernukleasen und TALEN bietet die neue Genschere eine verbesserte Genauigkeit, was für das zielgerichtete Editing entscheidend ist. Inzwischen wurden etliche Varianten des CRISPR/Cas9-Systems entwickelt und unzählige Einsatzmöglichkeiten nicht nur im DNA Editing, sondern auch im RNA- und Epigenom Editing beschrieben. So lassen sich gezielt Mutationen korrigieren, veränderte Zellproteine generieren, die Genexpression regulieren und ganze Gene durch Gene Silencing abschalten oder induzieren. (3,4).  

Trotz aller Begeisterung mehren sich die Hinweise auf bisher unerwartete Effekte des CRISPR/Cas9-Systems auf das Genom. So wurde beispielsweise von einer unbeabsichtigten Aktivierung von p53 (5) und dem Auftreten unerwarteter Chromosomenverkürzungen beim Einsatz von CRISPR/Cas9 berichtet (6). Der Einfluss dieser Nebeneffekte auch hinsichtlich der Sicherheit der Methode darf trotz aller Euphorie nicht unbeachtet bleiben. Die Mehrzahl der Anwendungen von CRISPR/Cas9 im humanen Bereich sind derzeit noch experimentell und werden, wie auch die meisten klinischen Studien von China, USA und Kanada vorangetrieben. Besonders viele Anwendungen liegen im Bereich der Immunoonkologie und Hämatologie (7).