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 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. Werden sie künftig auch in Europa genutzt? Eintscheidend dafür ist, ob die neuen Verfahren als Gentechnik angesehen werden und damit genau wie diese gesellschaftlich auf wenig Akzeptanz stoßen.

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 dem damaligen Gesundheitsminister Hermann Gröhe.

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

CRISPR Cas9
Genome editing Rekombination

CRISPR/Cas-System mit „Sonde“ (Guide RNA) und „Schere“ (Cas9-Protein) (oben). Wenn der DNA-Doppelstrang durchtrennt ist, kann er auf verschiedene Weise wieder zusammengefügt werden: Im Regelfall gehen bei der Reparatur an der Bruchstelle einzelne DNA-Bausteine verloren (nicht homologe Rekombination, unten rechts). Die Folge: Das betreffende Gen kann nicht mehr richtig abgelesen werden. Möglich ist auch, bei der Reparatur des Bruchs einzelne DNA-Bausteine auszutauschen oder sogar zusätzliche Gen-Sequenzen einzufügen (homologe Rekombination, Mitte und links). - Nur die letzte Variante entspricht den aktuellen gesetzlichen Kriterien für einen gentechnisch veränderten Organismus (GVO).

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 (oder Gene Editing), manchmal auch „Gen-Schere“ oder „Gen-Chrirurgie“.

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 Wissenschaftlerinnen (siehe Kasten links) die geniale Idee, daraus ein molekularbiologisches Werkzeug zu entwickeln. Überraschenderweise 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 der 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, das 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, nach dem Schnitt bei der Reparatur einzelne DNA-Bausteine auszutauschen oder auch kurze Sequenzen neu in den DNA-Strang einzubauen.

Der grundlegende Mechanismus - das Herbeiführen eines Doppelstrangbruchs und die anschließende „natürliche“ Reparatur - ist derselbe wie bei jeder zufälligen natürlichen Mutation. Auch die Mutationszüchtung beruht auf diesem Vorgang. Nur werden dabei solche Brüche durch Bestrahlung oder Chemikalien ausgelöst, unkontrolliert und in großer Zahl. Der entscheidene Unterschied: Beim Genome Editing geschieht es präzise nur an einer einzigen vorbestimmten Stelle im Genom - genau an der, die für zu verändernde Eigenschaft verantwortlich ist.

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

Genome Editing - 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, zusätzliche Gen integriert wird. Daraus leiten Kritiker ein grundsätzliches Risiko der Gentechnik ab: Der ungezielte Einbau des „fremden“ Gens an irgendeiner Stelle im Genom kann Gen-Funktionen beeinträchtigen und möglicherweise so die Eigenschaften einer Pflanze nachteilig verändern. Solche „unbeabsichtigten Nebenwirkungen“ sind ein wesentlicher Grund dafür, dass für gentechnisch veränderte (gv-) Pflanzen in fast allen Ländern der Welt Zulassungsverfahren vorgeschrieben sind. Die Hersteller müssen die Sicherheit ihrer Produkte nachweisen, bevor sie auf den Markt kommen. Bisher hat dieses seit mehr als zwanzig Jahren praktizierte Konzept gut 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 könnte das CRISPR/Cas-System den DNA-Strang an einer „falschen“ Stelle schneiden, doch solche off Target-Effekte sind nicht nur selten, sondern auch vergleichsweise gut zu identifizieren. Eigentlich sind sie nichts anderes als eine weitere Mutation, wie sie bei jeder „natürlicher“ Vermehrung und Fortpflanzung in großer Zahl stattfindet. Selbst zwei Pflanzen derselben Sorte, wie sie scheinbar gleichförmig auf einem Feld stehen, unterscheiden sich durch jeweils andere Mutationen. Bei Weizen etwa ereignen sich von einer Generation zur nächsten etwa 100 bis 120 natürliche Mutationen.

Dennoch will man off-Target-Effekte – unbeabsichtigte Mutationen – bei CRISPR-Anwendungen möglichst vermeiden. Da im medizinischen Bereich etwa bei der Gentherapie „Fehlschnitte“ weitaus gravierendere Folgen haben könnten als in der Pflanzenzüchtung, haben Wissenschaftler sich schon länger mit diesem Problem beschäftigt. Inzwischen wurden die molekularen Werkzeuge – CRISPR-Sonden und vor allem weitere Varianten der Cas-Proteinscheren (etwa Cpf1) – weiterentwickelt und ihre Zielgenauigkeit noch einmal deutlich verbessert.

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

Organisationen und Aktionsgruppen, die auch schon die klassische Gentechnik bei Pflanzen abgelehnt haben, kritisieren nun CRISPR und andere Genome Editing-Verfahren mit den gleichen, seit fast 30 Jahren kaum geänderten Einwänden. Zwar räumen sie 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 fertige 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 – meist mit gentechnischen Verfahren in eine Zelle eingeführt. Wenn sie jedoch ihren Zweck erfüllt und die beabsichtigte Mutation ausgelöst haben, werden die CRISPR-Werkzeuge nicht mehr benötigt und aus der Zelle „entsorgt“. Das zuvor eingeführte Genkonstrukt, mit der „Bauanleitung“ für die CRISPR-Werkzeuge unterliegt den Vererbungsgesetzen: Nach der Vermehrung ist es in einem Viertel der Nachkommen nicht mehr vorhanden. Um diese Pflanzen geht es: Erfolgreich editiert, aber ohne eingeführte Fremdgene. Sie sind überprüfbar „transgen-frei“. Nur mit diesen wird weitergearbeitet, wenn damit etwa eine neue Sorte gezüchtet werden soll. Die Mutation jedoch - etwa eine Resistenz gegen Pilzkrankheiten, die das Ziel der CRISPR-Operation war - wird von Generation zu Generation weitervererbt. (Mehr dazu im transGEN-Video CRISPR bei Pflanzen: Zum Beispiel Weizen)

Die Technologie entwickelt sich rasch weiter. So gibt es inzwischen Verfahren, um die CRISPR-Werkzeuge direkt – ohne den Umweg über ein entsprechendes Genkonstrukt – in die Pflanzenzellen einzuführen.

Auch wenn es der EuGH anders interpretiert: In der Regel gezielte Mutation, keine „Neue Gentechnik“

Genome Editing führt zu Pflanzen mit minimalen Veränderungen einzelner DNA-Bausteine wie sie auch zufällig, ohne jeden technischen Eingriff unter natürlichen Bedingungen entstehen könnten. Am Ende ist in den editierten Produkten kein fremdes, von außen eingeführtes Gen-Material vorhanden. Wenn sie nachweislich transgen-frei sind, gibt es keinen wissenschaftlichen Grund, die so editierte Pflanze als „gentechnisch verändert“ einzustufen. Besondere Vorschriften, wie sie für gentechnisch veränderte Pflanzen vorgeschrieben sind, etwa Kennzeichnungs- oder Anbaubestimmungen, wären am Produkt selbst ohnehin nicht kontrollierbar.

Allerdings hat es die EU hat über Jahre versäumt, die vor mehr als 25 Jahren beschlossen Gentechnik-Gesetze zu überarbeiten und vor allem die inwischen völlig veralteten GVO-Definition an den technischen Fortschritt anzupassen. Stattdessen entschied der EuGH (Europäische Gerichtshof) am 25. Juli 2018, dass die neuen Genome Editing-Verfahren als Gentechnik anzusehen sind und den gleichen Zulassungs- und Kennzeichnungsvorschriften unterliegen wie gentechnisch veränderte Organismen. Grundlage des Urteils war eine juristische Interpretation des bestehenden EU-Gentechnikrechts.

Wenn die EU ihre gentechnikrechtlichen Bestimmungen nicht in naher Zukunft anpasst, wird sie wie schon bei der Gentechnik wohl auch bei den neuen Züchtungstechniken einen Sonderweg einschlagen.

Andere Länder, etwa USA, Kanada, Argentinien, Brasilien, Australien oder Israel gehen fallweise vor. Neue editierte Pflanzen werden von den Behörden vorab geprüft, ob sie wie eine gewöhnliche Züchtung anzusehen sind oder ob unter die jeweiligen Gentechnik-Bestimmungen fallen. In den USA sind bereits zahlreiche editierte Pflanzen, die sich derzeit in der Entwicklung befinden, als „nicht-GVO“ klassifiziert worden, etwa Weizen, Sojabohnen, Kartoffeln, Mais mit verschiedenen neuen Merkmalen. Weder bei Freilandversuchen, noch im Falle eines kommerziellen Anbaus gelten dort für diese Pflanzen besondere Regeln. Wie Agrarimporte aus solchen Ländern „Genome Eiting-frei“ gehalten werden sollen, ist völlig ungeklärt.

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