Gene Drive: Das Ende der Vererbungsregeln

Der Gene Drive könnte ganze Tierarten im Turbo verändern, sodass sie beispielsweise keine Krankheiten mehr übertragen. Die Auswirkungen für das Ökosystem sind noch nicht absehbar.

Genetisch veränderte Anopheles- Mücken will die Bill und Melinda Gates-Stiftung spätestens 2029 in Afrika aussetzen und investiert dazu Millionen Dollar in die Gene-Drive-Forschung. Foto: Science Photo Library/Stammers, Sinclair

Schon lange träumen Wissenschaftler davon, genetische Merkmale innerhalb weniger Generationen in einer bestimmten Art zu verbreiten. Mit der Entdeckung der CRISPR-Technologie könnte der Traum eines „Vererbungsturbos“ tatsächlich Realität werden. Genannt wird diese Form des Genome Editing „Gene Drive“. Dabei wird dem im Labor veränderten Gen eines Organismus eine Art „Turbo“ verliehen, sodass es mit größerer Wahrscheinlichkeit als in der Natur an die Nachkommen weitergegeben wird. Während es sonst lange dauert, bis sich eine genetische Veränderung durchsetzt, benötigt der Gene Drive nur wenige Generationen. Der Trick dabei: In das Genom bauen Forscher nicht nur die Zielsequenz, sondern auch das CRISPR-Werkzeug mit ein, die Genschere Cas9 und die guideRNA. So kann das zunächst heterozygot vorkommende Wunschallel in den Nachkommen kopiert werden. Der jetzt homozygote Nachkomme vererbt das Allel erneut und setzt somit die klassischen Regeln der Vererbung außer Kraft (siehe Grafik).

Vornehmen lässt sich Gene Drive bei Pflanzen, Tieren und – theoretisch – auch beim Menschen. Letzteres steht nicht zur Debatte; in Deutschland wäre es gemäß des Embryonenschutzgesetzes gänzlich verboten (1). Auch die Arbeit mit Gene Drives, die nicht an Menschen stattfinden, ist hierzulande reguliert: „Sie fallen eindeutig unter das Gentechnikgesetz und müssen in Laboren der Sicherheitsstufe zwei erforscht werden“, erläutert die Freiburger Rechtswissenschaftlerin Prof. Dr. jur. Silja Vöneky dem Deutschen Ärzteblatt (DÄ).

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Vererbung in der Natur versus Gene Drive

Auswirken würden sich der Gene Drive aber trotzdem auf den Menschen: Beispiele sind gentechnische Eingriffe an Insekten und Säugetieren, die Krankheiten, wie Malaria, Dengue, Zika oder Borreliose übertragen (2–4). Sie stellen aufgrund ihrer raschen Generationsfolge geeignete Organismen für den Gene Drive dar. Erste Studien dazu liegen vor: Im Fokus steht die Anopheles-Mücke, die Überträgerin der Malaria (5, 6). Im Pflanzenbereich könnte ein Gene Drive die Entwicklung von Resistenzen rückgängig machen, die einige Arten gegen Herbizide entwickelt haben. Erträge ließen sich steigern, der Welthunger bekämpfen.

Weitreichende Folgen

Große Hoffnungen setzt auch einer der Erfinder, Prof. Dr. Kevin Esvelt vom Broad Institute of Massachusetts Institute of Technology (MIT), in den Vererbungsturbo: „Wenn wir die Technik mit Bedacht anwenden, könnte der Gene Drive enorme Vorteile für die Gesundheit, Umwelt und das Tierwohl mit sich bringen“, sagte er bei der Jahrestagung des Deutschen Ethikrates. Auch für den Vorsitzenden des Deutschen Ethikrates, Prof. Dr. theol. Peter Dabrock, ist das Verfahren des Gene Drive „ein prinzipiell wirkmächtiges Instrument“. In deutlicher Diskrepanz dazu stehe die geringe gesellschaftliche Aufmerksamkeit: „Großen Teilen der allgemeinen Öffentlichkeit sind die Risiken, aber auch Chancen dieses Vererbungsturbos derzeit noch völlig unbekannt“, bedauert Dabrock. „Dabei ist es ist eine moralische Pflicht, einen gesellschaftlichen Diskurs zu Gene Drive voranzubringen“, erklärt er dem DÄ.

Die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten der noch jungen Technik werfen neue Fragen auf: Wie kann man sich gegen die ungewollte Verbreitung neuer Methoden schützen? Könnten die genetischen Manipulationen wieder rückgängig gemacht werden? Wie sieht die Risiko-Nutzen-Abwägung aus? Es gehe dabei auch um das Vertrauen und die Glaubwürdigkeit der Forschung: „Wissenschaftler können und müssen sich als Teil einer Gesellschaft begreifen“, betont Dabrock. Die Gesellschaft wiederum habe das Recht und – angesichts der Möglichkeiten – auch die Pflicht, Chancen und Risiken abzuwägen sowie ihre Erwartungen und Sorgen zu artikulieren.

Gleichzeitig sei noch intensive Forschungsarbeit nötig, um die Gene-Drive-Systeme ausreichend zu charakterisieren, betont Prof. Dr. rer. nat. Marc Schetelig vom Institut für Insektentechnologie der Universität Gießen gegenüber dem DÄ. „Diskussionen ohne verlässliche Daten und Fakten sind aus Sicht der Wissenschaft zu vermeiden, genauso wie Entwicklungen, die das fertige Produkt als erstes Kommunikationsmittel nutzen.“

Intensiv mit dem Gene Drive beschäftigt sich derzeit der Biologe und Technikfolgenforscher Prof. Dr. phil. Arnim von Gleich von der Universität Bremen. Gemeinsam mit anderen Partnern führt er eine vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte Pilotstudie namens „GeneTip“ zu den Risiken der Freisetzung von Gene-Drive-Systemen durch. Für von Gleich eröffnen Gene Drives prinzipiell eine „neue Qualität im Umgang mit Gentechnik und mit der Natur“ (7). Während man sich bisher – bis auf wenige Ausnahmen im Agrarbereich – darum bemüht habe, gentechnisch veränderte Organismen möglichst geschlossen zu halten, sollen diese nun massiv freigesetzt und ganze Populationen unterdrückt werden“, erläutert er dem DÄ. Zwar könnten Ziele realisierbar werden, an denen man sich seit Jahrzehnten die Zähne ausgebissen habe. Gleichzeitig sei die neue Technologie jedoch nicht risikolos.

Konkrete Risiken von Gene Drives kann der Biologe allerdings nicht benennen. Noch sei die Unwissenheit zu groß. „Deshalb reden wir in der prospektiven Technikfolgenabschätzung und -bewertung lieber von Expositions- und Gefährdungspotenzialen“, erklärt er. Sorgen bereiten ihm zwei Aspekte, nämlich die „Exposition“ und die „Macht“: „Die Fähigkeit zur Selbstvermehrung führt wahrscheinlich zu einer sehr hohen Exposition in den Ökosystemen“, erläutert er. Wenn etwas schieflaufe, hätte der Mensch nur wenig Möglichkeiten, korrigierend einzugreifen. „Der zweite Aspekt bezieht sich auf die Macht über Organismen, die mit der Veränderung ihrer Gene prinzipiell verbunden ist. Das macht die Technik zu einer ‚Powertechnologie‘ und eventuell zu einer Risikotechnologie.“

„Da Gene Drives nicht an Staatsgrenzen halt machen, benötigen wir einen globalen Ansatz für die Regulierung“, meint Völkerrechtlerin Vöneky. Kein Staat sollte im Alleingang Freilandversuche oder den Einsatz von Gene Drives erlauben. Auch die USA sollten nach ihrer Ansicht an die internationalen Normen gebunden sein. Doch diese haben die Biodiversitätskonvention nicht ratifiziert. „Das Cartagena- Protokoll der Biodiversitätskonvention erfasst unter anderem auch Gene-Drive-Forschung, allerdings nicht lückenlos“, erklärt sie. „Ein Moratorium für Gene Drives haben Vertreter der Vertragsstaaten der Biodiversitätskonvention abgelehnt.“ Kaum enthalten seien zudem Normen, die den Missbrauch der Forschung betreffen, so Vöneky. Dem Problem der Lückenschließung müssten sich die Vereinten Nationen direkt annehmen. „Möglich wäre auch als erster Schritt, dass sich die Wissenschaftler selbst auf weltweite Standards und ethische Prinzipien zur Biosicherheit beim Umgang mit Gene Drives einigen.“

Um den Missbrauch der Technik zu verhindern, meldete das MIT ein Patent auf Esvelts Entwicklung an. Eine Lizenz für CRISPR-Patente, die Monsanto erwarb, wurde mit einem Vorbehalt versehen: Dieser verbietet es Monsanto, damit einen Gene Drive zu entwickeln. Das MIT verwies auf „das Potenzial, Ökosysteme zu stören“ (8).

Selbstlimitierend und lokal

Besonders wichtig ist Esvelt, dass Forschung öffentlich stattfindet. Bei seinem laufenden Projekt gegen Lyme-Borreliose „Mice Against Ticks“ arbeitet der junge MIT-Biochemiker daher mit lokalen Interessengruppen zusammen. Die gentechnisch veränderten Lyme-resistenten Mäuse, die als Erreger-Reservoir dienen, sollen erst freigesetzt werden, wenn die Bevölkerung zustimmt und nach einem Testlauf auf einer fast unbewohnten Insel, berichtete Esvelt bei einer öffentlichen Veranstaltung im August (9, 10). Zum Einsatz kommen würde dabei nicht der klassische Gene Drive, sondern eine lokal begrenzte und selbstlimitierende Form des Gene Drive, der nach einigen Generationen nicht weitervererbt wird (11, 12). Dies biete Schutz vor unerwarteten ökologischen Folgen, sagt Esvelt (13). Selbst wenn die Bewohner der Inseln dem Projekt zustimmen, muss auch die US-Umweltschutzbehörde und eventuell die Food and Drug Administration zurate gezogen werden. Es könnte mindestens acht Jahre dauern, bis die erste genetisch veränderte Maus sich auf einer Insel ausbreitet (14). Schneller vorankommen wolle einer kanadischen Umweltorganisation zufolge die brasilianische Biosicherheitskommission CTNBio (15, 16). Bisher vermeldet aber noch kein Land die Freisetzung von Organismen mit Gene Drive – auch nicht Brasilien. Kathrin Gießelmann,

Dr. med. Eva Richter-Kuhlmann

Literatur im Internet:
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Literatur

1. Embryonenschutzgesetze § 5, https://www.gesetze-im-internet.de/eschg/BJNR027460990.html. (last accessed on 3. September 2018).

2. Sinkins SP, Gould P: Gene drive systems for insect disease vectors. Nature Reviews Genetics 2006, 7 (427–35)

3. Oye KA, Esvelt K, Appleton E: Regulating gene drives. Science 2014, 345 (6197) 626–8

4. World Health Organization 2009: Progress and prospects for the use of genetically modified mosquitoes to inhibit disease transmission, www.who.int/tdr/publications/documents/gmm-report.pdf (last accessed on 3. September 2018).

5. Gantz VM, Jasinskiene N, Tatarenkova O: Highly efficient Cas9-mediated gene drive for population modification of the malaria vector mosquito Anopheles stephensi. PNAS 2015, 112 (49) E6736–43

6. A Hammond, Galizi R, Kyrou K: A CRISPR-Cas9 gene drive system targeting female reproduction in the malaria mosquito vector Anopheles gambiae. Nature Biotechnology 2016, 34: 78–83

7. GeneTip, https://www.genetip.de/de/biotip-pilotstudie/ (last accessed on 3. September 2018).

8. Regalado A: Stop “Gene Spills” Before They Happen. MIT Technology Review 2016, https://www.technologyreview.com/s/602633/stop-gene-spills-before-they-happen/ (last accessed on 3. September 2018).

9. Mice Against Ticks Community Meeting 7. August 2018, You Tube/NCTV, https://www.youtube.com/watch?v=8OUGutm-GBM (last accessed on 3. September 2018).

10. Mice Against Ticks Panel Discussion, August 2018, https://www.media.mit.edu/events/mice-against-ticks-panel-discussion/ (last accessed on 3. September 2018).

11. Noble C, Min J, Olejarz J: Daisy-chain gene drives for the alteration of local populations. bioRxiv 2016, unpublished preprint

12. Esvelt K,Gemmell N: Conservation demands safe gene drive. PLoS Biol 15(11): e2003850

13. Bates SR: Scientists Look to Gene Editing to Combat Lyme Disease in Massachusetts. Massachusetts Medical Society 2018, http://www.massmed.org/News-and-Publications/Vital-Signs/Scientists-Look-to-Gene-Editing-to-Combat-Lyme-Disease-in-Massachusetts/#.W4ktR8QyVPY (last accessed on 3. September 2018).

14. Lord B: One scientist‘s radical idea to engineer mice and stop Lyme disease, CNN tech 2018, https://money.cnn.com/2018/07/27/technology/lyme-disease-genetically-modified-mice-ticks-nantucket/index.html (last accessed on 3. September 2018).

15. Bekanntmachung CTNBio, 15. Januar 2018, http://ctnbio.mcti.gov.br/resolucoes-normativas/-/asset_publisher/OgW431Rs9dQ6/content/resolucao-normativa-n%C2%BA-16-de-15-de-janeiro-de-2018;jsessionid=9D7B15C78FB8730C5DCFBCEF69B0DA13.columba (last accessed on 3. September 2018).

16. ETC Group Pressemitteilung 2018: Movements of Millions Say No to Gene Drives as Brazil Attempts to Legalize Genetic Extinction Technology, http://etcgroup.org/content/brazil-movements-say-no-to-gene-drives (last accessed on 3. September 2018).