CRISPR

Die neue Gen-Revolution: Was man zu CRISPR/Cas wissen sollte

CRISPR/Cas9 - dieses merkwürdige Kürzel steht für ein neues Verfahren, um DNA-Bausteine im Erbgut zu verändern, so einfach und präzise, wie es bis vor kurzem unvorstellbar war. In der Welt der Gentechnik ist es wirklich eine Revolution. Obwohl es „natürlicherweise“ aus Bakterien stammt, funktioniert CRISPR in nahezu allen lebenden Zellen und Organismen: Es verspricht neue Möglichkeiten gegen Aids, Krebs und eine Reihe von Erbkrankheiten – aber auch bei der Züchtung von Pflanzen und Tieren. Außerhalb Europas werden bald mit CRISPR „editierte“ Produkte auf den Markt kommen. Doch schon jetzt ist ein heftiger Streit entbrannt. Im Kern geht es darum, ob solche Pflanzen oder Tiere als „gentechnisch verändert“ anzusehen sind oder eher natürlichen Mutationen gleichen.

Charpentier, Doudna, Gröe, zur Hausen

Ehrung in der Paulskirche. Emmanuelle Charpentier (rechts) und Jennifer A. Doudna (links), die beiden „Entdeckerinnen“ des CRISPR/Cas-Systems erhielten im März 2016 den renommierten Paul Ehrlich- und Ludwig Darmstaedter-Preis. Mit Prof. Harald zur Hausen, Nobelpreisträger 2008, und Gesundheitsminister Hermann Gröhe.

Foto: Goethe-Universität | Paul Ehrlich-Stiftung | Uwe Dettmar
Große Abbildung oben: Chris Labrooy/Nature

CRISPR/Cas9 (eine Erläuterung des komplizierten Namens gibt es hier) ist eine neue, molekularbiologische Methode, um DNA gezielt zu schneiden und anschließend zu verändern. Auf diese Weise können einzelne Gene – genauer: DNA-Bausteine – umgeschrieben oder „editiert“ werden. Solche Verfahren, zu denen etwa auch Zinkfinger-Nukleasen oder TALEN gerechnet werden, bezeichnet man daher zusammenfassend als Genome Editing (auch: Gene Editing).

Ursprünglich stammt das CRISPR/Cas-System aus Bakterien. Es dient ihnen als eine Art Immunsystem, mit dem sie Angriffe von Viren erkennen und abwehren können. Erst vor wenigen Jahren (2012) hatten zwei Molekularbiologinnen (siehe Kasten links) die geniale Idee, daraus ein molekularbiologisches Werkzeug zu entwickeln. Zur großen Überraschung funktioniert es nicht nur bei Bakterien, sondern universal bei allen lebenden Zellen – in menschlichen, aber auch in denen von Tieren und Pflanzen.

Im Kern laufen alle Genome Editing-Verfahren in drei Schritten ab: Zunächst muss im riesigen Genom einer Pflanze – das oft aus Milliarden Basenpaaren (DNA-Bausteine) besteht – punktgenau die Stelle gefunden und angesteuert werden, bei der eine Änderung durchgeführt werden soll. Dazu konstruiert man eine geeignet „Sonde“, die beim CRISPR-Verfahren aus RNA-Abschnitten (auch Guide RNA genannt) besteht, die den DNA-Abfolge der jeweiligen Zielsequenz entspricht. Wenn die Sonde diese „gefunden“ hat, dockt sie dort an, um den DNA-Doppelstrang genau an dieser Stelle mit einer molekularen „Schere“ zu durchschneiden - bei CRISPR ist es das Cas9-Protein, welches an die RNA-Sonde gekoppelt ist.

Anschließend treten die zelleigenen Reparatursysteme in Aktion: Sie flicken den durchtrennten DNA-Strang wieder zusammen - allerdings meist mit kleinen Fehlern. Die Folge: Das betreffende Gen kann nicht mehr richtig abgelesen werden und ist so blockiert. Möglich ist auch, einzelne DNA-Bausteine auszutauschen oder kurze Sequenzen neu in den DNA-Strang einzubauen.

Der grundlegende Mechanismus - das Herbeiführen eines Doppelstrangbruchs und die anschließende Reparatur mit kleinen Fehlern - ist derselbe wie bei jeder zufälligen natürlichen Mutation. Auch die Mutationszüchtung beruht darauf. Hier werden solche Brüche durch Bestrahlung oder Chemikalien ausgelöst, unkontrolliert und in großer Zahl. Der entscheidene Unterschied: Beim Genome Editing geschieht es präzise nur an der Stelle im Genom, die für eine bestimmte Eigenschaft verantwortlich ist.

CRISPR Cas9
Genome editing Rekombination

CRISPR/Cas-System mit „Sonde“ (Guide RNA) und „Schere“ (Cas9-Protein) (oben). Der durchtrennte DNA-Strang kann auf verschiedene Weise „repariert“ werden: Einzelne DNA-Bausteine werden an der Bruchstelle entfernt (unten rechts) oder modifiziert (unten Mitte). Als Vorlage für die Reparatur der Bruchstelle dient eine kurze DNA-Sequenz, die in die Zelle eingeführt wird. Möglich ist auch, größere Gen-Sequenzen an der Bruchstelle in den DNA-Strang zu integrieren (unten links).

Gibt es bei CRISPR und den anderen Genome Editing-Verfahren ähnliche Risiken wie bei der Gentechnik?

Genome Editing - und vor allem CRISPR - verringert die Probleme, die aus den Zufälligkeiten der Züchtung erwachsen – das bedeutet Zeit- und Kostenersparnis, aber auch mehr Sicherheit durch mehr Präzision. Das unterscheidet die neuen Verfahren von der herkömmlichen Züchtung, aber auch von der Gentechnik.

Bei der klassischen Gentechnik ist es vom Zufall abhängig, an welcher Stelle im Genom einer Pflanze das neue Genkonstrukt integriert wird. Daraus leiten Kritiker ein grundsätzliches Risiko der Gentechnik ab: Der ungezielte Einbau des „fremden“ Gens in bestehende Gen-Regionen kann deren Funktion beeinträchtigen und so die Eigenschaften einer Pflanze nachteilig verändern. Solche „unbeabsichtigten Nebenwirkungen“ sind ein wesentlicher Grund dafür, dass für gv-Pflanzen in fast allen Ländern der Welt Zulassungsverfahren vorgeschrieben sind. Dort müssen die Hersteller die Sicherheit ihrer Produkte nachweisen. Bisher hat dieses seit zwanzig Jahren praktizierte Konzept funktioniert. Aber eine Zulassung für gv-Pflanzen ist so zeit- und kostenintensiv geworden, dass nur noch große internationale Konzerne dazu in der Lage sind.

Ein solches „Risiko“ zufälliger oder unbeabsichtigter Veränderungen gibt es bei editierten Pflanzen kaum. Zwar ist es durchaus möglich, dass das CRISPR/Cas-System den DNA-Strang an einer „falschen“ Stelle schneidet. Da solche off-Target-Effekte etwa im medizinischen Bereich weitaus gravierendere Folgen haben könnten als in der Pflanzenzüchtung, haben Wissenschaftler sich schon länger mit diesem Problem beschäftigt. Viele hat es erstaunt, wie präzise CRISPR/Cas funktioniert und wie selten solche Fehler auftreten. Zudem wurden die molekularen Werkzeuge – CRISPR-Sonden und vor allem die Cas-Proteinscheren – inzwischen weiterentwickelt und ihre Zielgenauigkeit noch einmal verbessert.

Eine Wissenschaftlergruppe um den Tübinger Detlef Weigel (Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie) hat daher vorgeschlagen, die durch Genome Editing herbeigeführten Erbgut-Veränderungen genau zu dokumentieren. Auch solle belegt werden, dass keine Reste von eventuell vorher eingeführter Fremd-DNA im Erbgut der Pflanzen mehr vorhanden sind. Trifft das zu, unterscheiden sich die editierte Pflanzen und die jeweilige Ausgangspflanze nicht – bis auf die gezielt herbeigeführte Mutation.

Die große Mehrheit der Wissenschaftler ist sich einig: Unter diesen Voraussetzungen sollten editierte Pflanzen so eingestuft werden wie herkömmlich gezüchtete. Besondere Zulassungs- und Kennzeichnungsvorschriften wie bei der Gentechnik seien dann nicht erforderlich.

„Keine Gentechnik durch die Hintertür“ – Ist diese Kampagne gegen das Genome Editing gerechtfertigt?

Organisationen, die auch schon die klassische Gentechnik bei Pflanzen abgelehnt haben, übertragen diese Haltung auch auf CRISPR und andere Genome Editing-Verfahren. Zwar räumen auch diese Kritiker ein, dass sich die meisten editierten Pflanzen nicht von herkömmlich gezüchteten unterscheiden und deswegen das Verfahren auch nicht nachweisbar ist. Entscheidend für die Bewertung solcher Pflanzen sei jedoch nicht das Produkt, sondern der Prozess, in dem es entstanden ist. Und dabei handele es sich um Gentechnik.

In der Tat werden die für das Editieren erforderlichen CRISPR-Werkzeuge – Guide-RNA und Cas-Schneideproteine – mit gentechnischen Verfahren in eine Zelle eingeführt. Wenn jedoch die beabsichtigte Mutation dort ausgelöst worden ist, sind sowohl die CRISPR-Werkzeuge wie das dafür codierende Genkonstrukt überflüssig. Beide werden nur temporär benötigt. Die CRISPR-Werkzeuge werden aus der Zelle „entsorgt“ und auch das Genkonstrukt ist in den Nachkommen nicht mehr vorhanden.

Am Ende bleibt eine Pflanze mit minimalen Veränderungen einzelner DNA-Bausteine. Das Verfahren hat keine nachweisbaren molekularen Spuren in der Pflanze hinterlassen. Wenn sich der editierte Bereich im Rahmen dessen bewegt, was sich auch bei spontanen, natürlichen Mutationen ereignen könnte, gibt es keinen rationalen Grund, das Produkt – die Pflanze – als „gentechnisch verändert“ einzustufen. Verfahrensbezogene Vorschriften, etwa besondere Kennzeichnungs- oder Anbaubestimmungen, wären ohnehin nicht kontrollierbar.

Dennoch halten gentechnik-kritische Verbände an ihrer grundsätzlichen Anlehnung fest. Allerdings sehen das in der Bio-Szene nicht alle so. Wissenschaftler wie Urs Niggli vom Forschungsinstitut für biologischen Landbau (FIBL) wollen editierte Pflanzen nach ihren Produkteigenschaften bewerten, nicht nach dem – nicht nachweisbaren – Prozess. „Man sollte jede Anwendung einzeln bewerten, statt diese Technik generell abzulehnen“, so Niggli in einem Interview mit der taz (April 2016). Als sinnvolle Anwendungen nennt er, Gene für Krankheitsanfälligkeit auszuschalten oder Resistenzgene aus der verwandten Wildpflanze wieder in moderne Sorten einzuführen. „Da könnte man tatsächlich in großem Maßstab Pestizide einsparen.“

Wozu soll denn eigentlich CRISPR/Cas-Verfahren in der Pflanzenzüchtung gut sein?

Man kann mit CRISPR/Cas nicht alles machen. Es ersetzt auch nicht alle anderen Züchtungsverfahren, sondern ist ein weiteres, in manchen Fällen äußerst hilfreiches Werkzeug - etwa dann, wenn es um die Widerstandsfähigkeit gegen Pflanzenkrankheiten geht. Oft sind solche Eigenschaften im Verlauf der jahrhundertelangen Züchtung verloren gegangen. Wenn entsprechenden Gene - oft in verkümmerter Form - noch vorhanden sind, können sie mit Genome Editing wieder aktiviert werden. Oder die Resistenzeigenschaften einer Kultursorte können damit schnell und mit vergleichsweise wenig Aufwand den sich immer wieder ändernden Strategien der Krankheitserreger angepasst werden.

Die Züchter müssen mit ihren Sorten nicht nur den sich ändernden klimatischen Bedingungen gerecht werden, sondern auch den wandlungsfähigen Schädlingen und Krankheitserregern immer einen Schritt voraus sein. Neue Verfahren wie CRISPR/Cas, die den Züchtungsprozess deutlich schneller und zielgenauer machen, können da von großem Vorteil sein.

Anders als bei der Gentechnik, deren Anwendung sich wegen der hohen Kosten für Entwicklung und Zulassung nur große weltweit operierende Unternehmen leisten können, sind Genome Editing-Verfahren auch für kleinere Unternehmen und Forschungseinrichtungen interessant. Präziser und schneller als klassische Kreuzungszüchtung, nicht so kompliziert wie bei der Gentechnik und ohne neue Gene übertragen zu müssen – die neuen Verfahren bieten genau das, was eine flexible, an Regionalität und Ressourceneffizienz orientierte Pflanzenzüchtung an zusätzlichen Möglichkeiten benötigt.

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