CRISPR

Genome Editing – Präzise Schnitte im Genom

Gene editieren – die neuen molekularen Werkzeuge, um gezielt und präzise einzelne DNA-Bausteine umschreiben zu können, haben Wissenschaft und Forschung elektrisiert. Überall herrscht Aufbruchstimmung, auch in der Tier- und Pflanzenzüchtung. Doch: Was ist das Besondere an diesen Verfahren? Was können sie tatsächlich leisten? Was geht, und was geht nicht?

Genome Editing - dieser Begriff umfasst einige neue molekularbiologische Verfahren (CRISPR/Cas9-System,TALEN (Transcription activator-like effector nuclease)), mit denen es möglich geworden ist, die Erbsubstanz DNA gezielt zu durchschneiden und sie an dieser Stelle zu verändern. Auf diese Weise können Gene – genauer: einzelne DNA-Bausteine – umgeschrieben oder „editiert“ werden. Inzwischen werden solche Verfahren oft als „Gen-Schere“ bezeichnet.

Infografik Genome Editing

Genome Editing: Suchen, schneiden, reparieren.

Genome Editing Rekombination

Varianten der Reparatur. 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 Gen-Sequenzen einzufügen (homologe Rekombination, Mitte und links).
Grafiken: transgen.de / WGG, pigurdesign. Titelgrafik: Natallia Nareshka/123RF

Alle Verfahren nutzen natürliche Mechanismen. So stammt etwa 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 die beiden Molekularbiologinnen Jennifer Doudna und Emmanuelle Charpentier die geniale Idee, daraus ein neues, nahezu revolutionäres 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 – 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 geeignete „Sonde“. Bei CRISPR/Cas, dem inzwischen am häufigsten eingesetzten Genome Editing-Verfahren besteht sie aus RNA-Abschnitten (auch Guide RNA genannt), die genau 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, 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, bei der Reparatur 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 herkömmliche 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 Stelle im Genom - genau an der, die für die zu verändernde Eigenschaft verantwortlich ist.

Vor allem CRISPR/Cas ist ein vergleichsweise einfaches Verfahren. Die Kosten für die benötigten molekularen Instrumente und deren Einführen in eine Pflanzenzelle sind weitaus niedriger als bei anderen molekularbiologischen Verfahren.

Allerdings: Ganz so simpel ist es nicht. Um ein bestimmtes Merkmal zu ändern oder zu optimieren, müssen die zu editierenden Gene und ihre Funktion vollständig bekannt sein. Die Wissenschaftler müssen ihr Ziel und den Ort im riesengroßen, Milliarden DNA-Bausteine großen Erbgut genau kennen – und wissen, was und wie sie dort „umschreiben“ wollen. Das setzt viel Genomforschung voraus und ein genaues Wissen um die molekularbiologischen Prozesse in der Pflanzenzelle.

Weniger Zufälligkeiten

Genome Editing 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. Dieser 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.

Bei der herkömmlichen Kreuzungszüchtung vermischen sich die Gene aus Mutter- und Vaterlinie nach dem Zufallsprinzip. Es kostet viel Zeit, anschließend die Nachkommen mit den „richtigen“ Genkombinationen zu finden. Oft sind mehrere, sich über Jahre hinziehende Rückkreuzungsschritte erforderlich, um unerwünschte Eigenschaften zu eliminieren.

Ähnlich ist es bei der Mutationszüchtung: Durch Bestrahlung oder Chemikalien werden Mutationen zufällig und in großer Zahl ausgelöst. Es müssen diejenigen Pflanzen gefunden werden, welche die zu den gewünschten Merkmalen führenden Mutationen enthalten, dagegen möglichst wenige, die sich nachteilig auf die erwünschten Eigenschaften einer Pflanze auswirken.

Gentechnik: Ja oder nein?

Bisher ist es in der EU nicht geklärt, ob Genome Editing - und die damit veränderten Pflanzen und Tiere - der Gentechnik zuzurechnen sind oder nicht. Die gesetzliche Definition, was unter einem GVO zu verstehen ist, der besonderen Zulassungs- und Kennzeichnungsvorschriften unterliegt, sind seit fast 30 Jahren unverändert. In dieser Zeit haben sich die molekularbiologischen Verfahren rasch weiterentwickelt. Als das Gentechnik-Gesetz in Kraft trat, waren Verfahren wie das Genome Editing unvorstellbar.

Verfahren wie bei der Gentechnik. Die Editing-Werkzeuge - die molekularen Sonden und das Schneideprotein - müssen in die Zelle eingebracht werden. Dazu nutzt man derzeit in der Regel gentechnisch Verfahren, etwa eine Transformation mit Agrobakterien. Inzwischen werden auch „DNA-freie“ Varianten entwickelt.

Produkt wie bei konventioneller Züchtung. Das fertige Produkt ist nicht die editierte Pflanzenzelle, sondern deren Nachkommen. Die Werkzeuge - bzw. deren DNA - wird weitervererbt. Nach den Mendelschen Gesetzen sind bei einem Viertel der Nachkommen diese Werkzeuge nicht mehr vorhanden. In diesen Pflanzen ist zwar die jeweils beabsichtigte Mutation, jedoch die eingebrachten Werkzeuge nicht mehr vorhanden. Wenn mit Genome Editing lediglich Gene abgeschaltet oder nur einzelne DNA-Bausteine ausgetauscht wurden, unterscheiden sich die so editierten Pflanzen bis auf die Mutation nicht von anderen, deswegen ist das eingesetzte Verfahren nicht nachweisbar. Die herbeigeführte Mutation hätte sich auch zufällig unter natürlichen Bedingungen ereignen können.

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