ArchivDeutsches Ärzteblatt37/2018Genome Editing: Die Zukunft der Gentechnik

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Genome Editing: Die Zukunft der Gentechnik

Dtsch Arztebl 2018; 115(37): A-1586 / B-1339 / C-1327

Gießelmann, Kathrin; Richter-Kuhlmann, Eva

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Die Genomchirurgie mittels CRISPR/Cas funktioniert in nahezu allen Zellen. Vor allem Menschen mit Erbgutkrankheiten könnten profitieren – wären da nicht noch unkontrollierbare Effekte.

Foto: vchalup/stock.adobe.com

Ein Schlagwort taucht immer wieder in den Meldungen zu Medizin und Naturwissenschaften auf: Genome Editing. Gemeint sind damit Techniken, die das Erbgut von Pflanzen, Tieren und Menschen schnell und kostengünstig verändern können. Sie versprechen Sicherheit durch präzise Schnitte der DNA und weniger ungezielte Einbauten in das Genom als herkömmliche Methoden der Gentechnik (Off-Target-Effekte).

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Verwendet werden beim Genome Editing „molekulare Genscheren“. Zu ihnen gehören Zinkfinger-Nukleasen und TALENs (transcription activator-like effector nucleases). Die mittlerweile am häufigsten verwendete Gentechnik-Methode ist die CRISPR/Cas-Technik (Crispr: Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats). Mit ihr insbesondere ist die Hoffnung verbunden, Genmutationen zu korrigieren und neue therapeutische Ansätze zu finden und Erbkrankheiten zu heilen. Weitere Visionen sind die Ausrottung der Malaria- oder Dengue-Erreger durch Gene Drive, einer gezielten Evolution im Zeitraffer (siehe nächster Beitrag).

Die Revolution der Gentechnik – als die sie bereits viele Forscher bezeichnen – hat auch eine Kehrseite: Szenarien künstlich geschaffenen und veränderten Lebens könnten Realität werden. Dies wirft viele soziale, rechtliche und ethische Fragen auf, die derzeit noch unbeantwortet sind.

Diskurs über Keimbahntherapie

Es gilt gesellschaftlich Nutzen und Risiken abzuwägen – insbesondere im Hinblick auf die Forschung beim Menschen. Bereits vor drei Jahren veröffentlichten die Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina, die Deutsche Akademie der Technikwissenschaften – acatech, die Union der deutschen Akademien der Wissenschaften und die Deutsche Forschungsgemeinschaft eine Stellungnahme zu den „Chancen und Grenzen des Genome editing“ (1). Auch der Deutsche Ethikrat gestaltet den Diskurs über Keimbahneingriffe am Menschen bereits seit Längerem. Vor einem Jahr verabschiedete er eine Ad-hoc-Empfehlung zu „Keimbahneingriffen am menschlichen Embryo“ (2). Eine Stellungnahme dazu wird demnächst erwartet. Ferner verfasste im vergangenen Jahr eine Expertengruppe der Leopoldina ein Diskussionspapier zur „Ethischen und rechtlichen Beurteilung des genome editing in der Forschung an humanen Zellen“ (3). Die Autoren verteidigen darin den Einsatz der Genomchirurgie zur Erforschung der menschlichen Embryonalentwicklung. Gleichzeitig ziehen sie Grenzen: So sprechen sie sich dafür aus, ausschließlich „verwaiste Embryonen“ aus der Fortpflanzungsmedizin für die Forschung zuzulassen, die nicht mehr verwendet werden und somit keine Lebenschance haben. Versuche, mittels Genome Editing Eigenschaften des Menschen abseits von Prävention und Krankheit zu verbessern, verurteilen sie gänzlich. Diese Einschätzung zu genetischen Verbesserungen (Enhancement) teilt auch Prof. Dr. med. Claudia Wiesemann, stellvertretende Vorsitzende des Deutschen Ethikrates: Eine Keimbahnmanipulation etwa des Epo-Gens, um die sportliche Leistungsfähigkeit zu verbessern, sei eine reine Luxusvorstellung, die sicher noch lange nicht Wirklichkeit werden würde. „Gleiches gilt für die Vorstellung, man könne die Musikalität oder Intelligenz mithilfe der Genscheren-Technologie verbessern“, sagte sie bei der Jahrestagung des Deutschen Ethikrates, die im Juni in Berlin stattfand.

Die Veranstaltung war ein Versuch, mit dem rasanten Tempo der Forschung mitzuhalten und eine gesellschaftliche Debatte zu entfachen. Gemeinsam mit der Öffentlichkeit soll geklärt werden, welche Anwendungsgebiete man den Menschen nicht vorenthalten darf und welche es zu verhindern gilt, weil sie die Menschenwürde verletzen würden. Kritisch äußerte sich Wiesemann gegenüber dem Deutschen Ärzteblatt zur Keimbahntherapie: In absehbarer Zeit sei es kaum zu rechtfertigen, die Keimbahn beim Menschen zu manipulieren. „In den nächsten Jahren sollte man wenn überhaupt den Fokus darauf legen, erbliche Erkrankungen mithilfe des Genome Editings zu beheben“, ist Wiesemann überzeugt. Ihrer Einschätzung nach sind die Risiken dieser Technik zu groß und werden vermutlich noch lange nicht kontrollierbar sein.

Techniken noch zu unsicher

Ähnliche Bedenken äußerte auch Prof. Dr. Kevin M. Esvelt vom Massachusetts Institute of Technology (MIT). Bei der Jahrestagung des Deutschen Ethikrates wies der US-Experte darauf hin, dass die Technik noch nicht sicher genug sei. Selbst in Mäusen sei es nicht gelungen, eine mittels CRISPR/Cas9 induzierte genetische Veränderung, die sich auf die Fellpigmentierung auswirkt, auf alle Zellen des Embryos zu transferieren (4). Aus diesem Grund sei es derzeit nicht möglich, Keimbahneingriffe beim Menschen durchzuführen, warnte der Biochemiker. Seine Prognose lautet: „Wenn überhaupt wird man männliche Samenzellen oder Eizellen vor der Befruchtung genetisch verändern.“ In Deutschland verbietet das Embryonenschutzgesetz, das Genom menschlicher Keimbahnzellen künstlich zu verändern und zur Befruchtung zu verwenden.

Die Sicherheit von CRISPR/Cas9 stellt zudem eine erst kürzlich in Nature Biotechnology publizierte Studie infrage. Hier berichteten britische Forscher über Genverluste und Verlagerungen ganzer Abschnitte des Erbguts durch die populäre Genschere in embryonalen Mausstammzellen und menschlichen Zelllinien (5). Weit weniger unkontrollierbare Off-Target-Effekte durch falsche Schnitte im Genom könnte das Base Editing bieten, erklärte Esvelt in Berlin. Der Vorteil dieser Technik: Der fehleranfällige Doppelstrandbruch findet nicht statt. Stattdessen induziert ein Basen-Editor eine chemische Reaktion, die das Nukleotid modifiziert. So wird beispielsweise eine G-C-Paarung durch eine A-T-Paarung ersetzt. Den ersten Basen-Editor stellten 2016 Forscher um David Liu von der Harvard University vor (6). „Seit unserem ersten Bericht wurden unsere Basen-Editoren mehr als 5 000 Mal in Labore auf der ganzen Welt verschickt“, berichtet der Professor der Harvard University Liu dem . Es wurden Punktmutationen in einer Vielzahl von Organismen, einschließlich Bakterien, Pilze, Reis, Weizen, Mais, Tomaten, Insekten, Fischen, Fröschen, Mäusen und sogar menschlichen Embryonen repariert. Schon ein Jahr nach der ersten Publikation heißt es in Nature und Science, dass die neu vorgestellten Basen-Editoren etwa die Hälfte aller beim Menschen auftretenden Punktmutationen mit hoher Effizienz korrigieren könnten, ohne dass mit Kollateralschäden zu rechnen wäre (7, 8). Mehr als 50 000 genetische Veränderungen sind mit menschlichen Krankheiten verbunden – etwa 33 000 davon sind Punktmutationen.

Auch Prof. Dr. rer. nat. Dipl.-Med. Boris Fehse vom Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf hält die neue Technik für sehr attraktiv. Die Anwendungsmöglichkeiten seien jedoch stark begrenzt. „Müssen andere Fehler als Punktmutationen repariert werden, ist das Base Editing nicht geeignet.“ Ein weiterer Nachteil: Jede Punktmutation benötigt ein eigenes Editing-Enzym. „Das würde zumindest bei einigen Krankheiten zu einem sehr hohen Entwicklungsaufwand führen“, erklärt Fehse. Grundsätzliche Limitationen des in vivo Genome Editing, wie etwa die Immunogenität gelten ebenfalls für das Base Editing. Im Vergleich zum durch Insertionen oder Deletionen („Indels“) vermittelten Knockout sei die Effizienz der Basen-Editoren zudem bisher deutlich geringer.

Andere Regeln als bei Keimbahneingriffen gelten bei somatischen Zellen. Klinische Studien zur somatischen Gentherapie sind in China bereits in vollem Gange. Es wird untersucht, ob die Entfernung des PD-1-Gens, über das Krebszellen die Immunabwehr blockieren, die Behandlung von Malignomen im Ösophagus oder in der Lunge verbessern (9, 10). Die Entfernung des CCR5-Gens könnte CD4-Zellen vor einer Infektion mit dem HI-Virus schützen und damit Aids ohne Medikamente verhindern. Ein anderes Projekt untersucht, ob die Zerstörung von Genen des Epstein-Barr-Virus Malignome, die durch dieses Virus verursacht werden, aufhalten kann (11). Erst im August erschien eine Science-Studie, bei der es gelungen ist, das Erbgut kranker Muskelzellen bei Hunden mit CRISPR/Cas9 zu regenerieren (12, 13).

Urteil zur grünen Gentechnik

Mit Abstand am weitesten fortgeschritten ist das Genome Editing aber bei Pflanzen, der grünen Gentechnik. Zwar betonen viele Forscher, unter anderem die Leopoldina, immer wieder, dass CRISPR/Cas in der Pflanzenzüchtung kein Risiko für Gesundheit und Umwelt darstellen würde. Der Europäische Gerichtshof (EuGH) fällte diesen Sommer jedoch ein Urteil, das umstritten ist (Meinungen siehe Kasten): Pflanzen, deren Erbgut mit neuen Gentechnikverfahren wie CRISPR/Cas9 oder TALEN gezielt bearbeitet wurden, gelten als potenziell gefährliche genetisch veränderte Organismen. Sie müssen vor der Zulassung geprüft und gekennzeichnet werden. Ziel der Regelung ist es, schädliche Auswirkungen auf Gesundheit und Umwelt zu verhindern. Kathrin Gießelmann,

Dr. med. Eva Richter-Kuhlmann

Literatur im Internet:
www.aerzteblatt.de/lit3718
oder über QR-Code.

Anwendungsmöglichkeiten

Keimbahntherapie

  • autosomal-dominant vererblich: Formen der frontotemporalen Demenz, Huntington’sche Krankheit, vererblicher Brustkrebs
  • rezessiv vererblich: Beta-Thalassämie
  • Punktmutationen: Sichelzellanämie, Beta-Thalassämie, Formen genetisch bedingter Epilepsie, Taubheit und Erblindung, Hämophilie, Mukoviszidose, Phenylketonurie

Enhancement

  • Erbliche Immunität gegenüber dem HI-Virus
  • Intelligenz, Musikalität, Langlebigkeit, sportliche Leistung, etwa über eine genetische Modifikation des Epo-Rezeptors oder des Muskelwachstums, „Super Soldier“

Somatische Gentherapie

  • Hämophilie A, Immundefekte, HIV, Leukämie, Muskelschwund-Erkrankungen, Sichelzellanämie

Gene Drive

  • Reservoir (u. a. Stechmücke, Mäuse) von Erregern wie Malaria-Parasiten, Lyme-Borreliose-Bakterien, Dengue- oder Zika-Viren
  • Eindämmung invasiver Arten (Aga-Kröte, Ratte in Australien)

Grüne Gentechnik

  • Allergenfreie Erdnuss, ertragreicher Wachsmais, weißer Zucht-Champignon, der langsamer braun wird etc.

Quelle: C. Wiesemann, Ethikrat 2018/Science Media Center

Die Genomchirurgie mittels CRISPR/Cas funktioniert in nahezu allen Zellen. Vor allem Menschen mit Erbgutkrankheiten könnten profitieren – wären da nicht noch unkontrollierbare Effekte.

Was bedeutet das EuGH-Urteil?

Foto: Testbiotech

„Dieses Urteil ist zu begrüßen. Der Einsatz von CRISPR & Co führt in den meisten Fällen zu einem unverwechselbaren Fingerabdruck im Erbgut, einer Art Signatur, wie sie durch herkömmliche Züchtung nicht zustande kommt. Wie fraglich die Umweltsicherheit bisheriger Gentechnikpflanzen ist, zeigen aktuelle Untersuchungen, nach denen ein wesentlich höheres Ausbreitungsrisiko besteht, als bisher angenommen wurde. Zu gesundheitlichen Risiken von Pflanzen und Tieren, die mit neuen Gentechnikverfahren verändert wurden, liegen bisher kaum Daten vor. Die Bewertung ist daher schwierig. So wurden in den USA bereits Pflanzen und sogar Pilze ohne eingehende Risikobewertung zur Vermarktung freigegeben.“

Dr. med. vet. Christoph Then, Geschäftsführer Testbiotech, Institut für unabhängige Folgenabschätzung in der Biotechnologie, München

Foto: Maren Wichmann

„Dass der EuGH diese hochpräzise Technik als potenziell gefährlicher einstuft als die unpräzise klassische Mutagenese ist ein Affront für die Wissenschaft. Weder werden wissenschaftliche Fortschritte der letzten Jahrzehnte anerkannt noch werden die einstimmigen Empfehlungen der unabhängigen nationalen Wissenschaftsorganisationen berücksichtigt (Leopoldina). Für das Argument der gesundheitlichen Gefährdung gibt es keinen einzigen Hinweis. Es würde auch keinen Sinn machen, dazu Studien durchzuführen, da die Veränderungen naturidentisch sind. Sie entstehen täglich durch Mutagenese oder natürliche Umwelteinflüsse im Erbgut aller Lebewesen.“

Prof. Dr. rer. nat. Jens Boch, Abteilungsleiter am Institut für Pflanzengenetik der Leibniz Universität Hannover

Foto: privat

„Das Urteil liegt ganz auf der Linie verbreiteter diffuser Ängste vor ‚der‘ Gentechnologie. Warum das neue Verfahren risikoreicher sein soll als die herkömmliche Schrotschuss-Methode, ist nicht verständlich. Zudem ist paradox: Durch das Urteil wird großen Konzernen der Rücken gestärkt, obwohl gerade sie nicht selten als Protagonisten der Gentechnologie in der Kritik stehen. Kleine und mittlere Pflanzenzüchter können sich die aufwendigen und teuren Zulassungsverfahren kaum leisten. Das Urteil wird also einer weiteren Marktkonzentration Vorschub leisten – und letztlich auch die Forschung innerhalb der EU massiv beeinträchtigen.“

Prof. Dr. jur. Jochen Taupitz, Direktor des Instituts für Deutsches, Europäisches und Internationales Medizinrecht, Gesundheitsrecht und Bioethik der Universitäten Heidelberg und Mannheim

1.
Leopoldina, acatech, Union der deutschen Akademien der Wissenschafte Deutsche Forschungsgemeinschaft: Stellungnahme zu den „Chancen und Grenzen des genome editing“ 2015; https://www.leopoldina.org/publikationen/detailansicht/publication/chancen-und-grenzen-des-genome-editing-2015/ (last accessed on 24 August 2018).
2.
Deutscher Ethikrat: „Keimbahneingriffe am menschlichen Embryo“ 2017; https://www.ethikrat.org/publikationen/publikationsdetail/?tx_wwt3shop_detail%5Bproduct%5D=19&tx_wwt3shop_detail%5Baction%5D=index&tx_wwt3shop_detail%5Bcontroller%5D=Products&cHash=e197afc2a9431bdc3602d100e226cbc9 (last accessed on 24 August 2018).
3.
Leopoldina: „Ethische und rechtliche Beurteilung des genome editing in der Forschung an humanen Zellen“ https://www.leopoldina.org/uploads/tx.../2017_Diskussionspapier_GenomeEditing.pdf (last accessed on 24 August 2018).
4.
Yen ST, Zhang M, Deng JM: Somatic mosaicism and allele complexity induced by CRISPR/Cas9 RNA injections in mouse zygotes. Dev Biol. 2014, 393 (1): 3–9 CrossRef MEDLINE PubMed Central
5.
Kosicki M, Tomberg K, Bradley A: Repair of double-strand breaks induced by CRISPR–Cas9 leads to large deletions and complex rearrangements.Nature Biotechnology 2018 CrossRef CrossRef
6.
Komor AC, Kim YB, Packer MS et al.: Programmable editing of a target base in genomic DNA without double-stranded DNA cleavage.Nature 2016, 533 (420–4) CrossRef MEDLINE PubMed Central
7.
Gaudelli NM, Komor AC, Rees HA, et al.: Programmable base editing of AT to GC in genomic DNA without DNA cleavage. Nature 2017; 551: 464–71 CrossRef MEDLINE PubMed Central
8.
Cox DBT, Gootenberg JS, Abudayyeh OO, et al.: RNA editing with CRISPR-Cas13. Science 2017, eaaq0180.
9.
Shixiu Wu: „PD-1 Knockout Engineered T Cells for Advanced Esophageal Cancer“ ClinicalTrials.gov Identifier: NCT03081715.
10.
You Lu: „PD-1 Knockout Engineered T Cells for Metastatic Non-small Cell Lung Cancer“ ClinicalTrials.gov Identifier: NCT02793856.
11.
Chen Hu: „Safety of Transplantation of CRISPR CCR5 Modified CD34+ Cells in HIV-infected Subjects With Hematological Malignances“ ClinicalTrials.gov Identifier: NCT03164135.
12.
Science http://science.sciencemag.org/content/early/2018/08/29/science.aau1549
13.
https://www.aerzteblatt.de/nachrichten/97524
14.
Yang Yang: „PD-1 Knockout EBV-CTLs for Advanced Stage Epstein-Barr Virus (EBV) Associated Malignancies“ ClinicalTrials.gov Identifier: NCT03044743.
1.Leopoldina, acatech, Union der deutschen Akademien der Wissenschafte Deutsche Forschungsgemeinschaft: Stellungnahme zu den „Chancen und Grenzen des genome editing“ 2015; https://www.leopoldina.org/publikationen/detailansicht/publication/chancen-und-grenzen-des-genome-editing-2015/ (last accessed on 24 August 2018).
2.Deutscher Ethikrat: „Keimbahneingriffe am menschlichen Embryo“ 2017; https://www.ethikrat.org/publikationen/publikationsdetail/?tx_wwt3shop_detail%5Bproduct%5D=19&tx_wwt3shop_detail%5Baction%5D=index&tx_wwt3shop_detail%5Bcontroller%5D=Products&cHash=e197afc2a9431bdc3602d100e226cbc9 (last accessed on 24 August 2018).
3.Leopoldina: „Ethische und rechtliche Beurteilung des genome editing in der Forschung an humanen Zellen“ https://www.leopoldina.org/uploads/tx.../2017_Diskussionspapier_GenomeEditing.pdf (last accessed on 24 August 2018).
4.Yen ST, Zhang M, Deng JM: Somatic mosaicism and allele complexity induced by CRISPR/Cas9 RNA injections in mouse zygotes. Dev Biol. 2014, 393 (1): 3–9 CrossRef MEDLINE PubMed Central
5.Kosicki M, Tomberg K, Bradley A: Repair of double-strand breaks induced by CRISPR–Cas9 leads to large deletions and complex rearrangements.Nature Biotechnology 2018 CrossRef CrossRef
6.Komor AC, Kim YB, Packer MS et al.: Programmable editing of a target base in genomic DNA without double-stranded DNA cleavage.Nature 2016, 533 (420–4) CrossRef MEDLINE PubMed Central
7.Gaudelli NM, Komor AC, Rees HA, et al.: Programmable base editing of AT to GC in genomic DNA without DNA cleavage. Nature 2017; 551: 464–71 CrossRef MEDLINE PubMed Central
8.Cox DBT, Gootenberg JS, Abudayyeh OO, et al.: RNA editing with CRISPR-Cas13. Science 2017, eaaq0180.
9.Shixiu Wu: „PD-1 Knockout Engineered T Cells for Advanced Esophageal Cancer“ ClinicalTrials.gov Identifier: NCT03081715.
10.You Lu: „PD-1 Knockout Engineered T Cells for Metastatic Non-small Cell Lung Cancer“ ClinicalTrials.gov Identifier: NCT02793856.
11.Chen Hu: „Safety of Transplantation of CRISPR CCR5 Modified CD34+ Cells in HIV-infected Subjects With Hematological Malignances“ ClinicalTrials.gov Identifier: NCT03164135.
12.Science http://science.sciencemag.org/content/early/2018/08/29/science.aau1549
13.https://www.aerzteblatt.de/nachrichten/97524
14.Yang Yang: „PD-1 Knockout EBV-CTLs for Advanced Stage Epstein-Barr Virus (EBV) Associated Malignancies“ ClinicalTrials.gov Identifier: NCT03044743.

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