ArchivDeutsches Ärzteblatt42/2020Nobelpreis Chemie: Revolutionäre Genschere

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Nobelpreis Chemie: Revolutionäre Genschere

Richter-Kuhlmann, Eva

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Die Königlich-Schwedische Akademie der Wissenschaften in Stockholm hat in diesem Jahr zwei Forscherinnen für die Entwicklung der Genschere CRISPR/Cas ausgezeichnet. Der Chemienobelpreis geht an Emmanuelle Charpentier und Jennifer A. Doudna.

Die CRISPR/Cas- Methode erlaubt es, das Erbgut lebender Organismen sehr viel präziser als bisher zu verändern und den „Code des Lebens“ neu zu schreiben. Foto: Science Photo Library/De Angelis, Maurizio
Die CRISPR/Cas- Methode erlaubt es, das Erbgut lebender Organismen sehr viel präziser als bisher zu verändern und den „Code des Lebens“ neu zu schreiben. Foto: Science Photo Library/De Angelis, Maurizio

Wenn in den vergangenen Jahren über mögliche Kandidatinnen und Kandidaten für den Medizin- und Chemie-Nobelpreis spekuliert wurde, fielen oft die Namen Prof. Dr. Emmanuelle Charpentier und Prof. Dr. Jennifer A. Doudna. Denn mit ihrer Entwicklung der Genschere CRISPR/Cas9 sorgten die beiden Biochemikerinnen in den letzten Jahren für eine Revolution im Genom-Editing sowie für vielversprechende potenzielle Anwendungen in der Biotechnologie, der Medizin und der Landwirtschaft.

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In diesem Jahr ist es soweit: Die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften zeichnet die beiden Forscherinnen mit dem Nobelpreis für Chemie aus. Dass dies nur acht Jahre nach der Entwicklung der CRISPR/Cas9-Technologie geschieht, zeigt die hohe Bedeutung, die der Methode beigemessen wird.

Die CRISPR/Cas9-Technologie gilt als ein leistungsfähiges und vielseitiges Werkzeug, um jede beliebige Gensequenz in den Zellen lebender Organismen effizient zu verändern. Dies veranlasste das Nobelkomitee, das sich sonst bekanntlich Zeit mit der Honorierung naturwissenschaftlicher Erkenntnisse lässt, den Preis bereits jetzt an die beiden Frauen zu verleihen.

2011 beschrieb die Französin Charpentier, mittlerweile Direktorin der Max-Planck-Forschungsstelle für die Wissenschaft der Pathogene in Berlin, im Fachmagazin Nature die zentralen Komponenten der Aktivierung von CRISPR/Cas9 im Bakterium Streptococcus pyogenes. Sie entdeckte dort ein bisher unbekanntes Molekül, „tracrRNA“ (Nature, 2011; 471: 602–7). Es stellte sich heraus, dass es Teil eines einfachen Immunsystems von Bakterien ist, quasi eine „Selbstverteidigungs-Methode“ des Bakteriums gegen Viren.

„Abgeschaut“ von Bakterien

Infiziert ein Virus Streptococcus pyogenes, kopiert die Zelle Teile des Virus-Erbguts und baut sie in ihr eigenes Erbgut ein. Diese zusammengesetzten Abschnitte (CRISPR, Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) fungieren als „Erkennungs-Sonden“ gegen das Virus. Wenn der entsprechende Virustyp wiederholt in das Bakterium eindringt, kann diese Information in Form einer „crRNA“ abgerufen werden. Der CRISPR-Cas9-Komplex lokalisiert die Virus-DNA und zerschneidet sie, wobei Cas9 (CRISPR-associated protein 9) das Eiweiß ist, das den Schnitt ausführt. Die Spezifität verhindert, dass Erbgut des Bakteriums beschädigt wird.

Diesen Mechanismus konnte Charpentier 2012 schließlich zusammen mit der Biochemikerin Jennifer Doudna an der University of California, Berkeley, zeigen (Science 2012; 337: 816–21). Die Forscherinnen vereinfachten die Genschere, indem sie „tracrRNA“ und „crRNA“ zu einem „single-guide RNA molecule“ (sgRNA) fusionierten, was die Herstellung von individuellen Genscheren erheblich verbesserte (Science 2013; 339: 823–6).

Mittlerweile ist das System ein präzises Genwerkzeug, das fehlerhafte DNA korrigieren kann. Es wird genutzt, um das Erbgut von Tieren, Pflanzen und Mikroorganismen zu verändern. Die neue Technologie hat laut dem Nobelpreiskomitee einen revolutionären Einfluss auf die Biowissenschaften.

Große Hoffnungen ruhen auf dem medizinischen Bereich. Ansätze gibt es einige: So werden auf Basis der CRISPR-Technologie bereits neue Krebstherapien entwickelt. Zudem könnte sie den Traum von der Heilung von Erbkrankheiten wahr werden lassen. Studien mit Muskeldystrophie-Duchenne-Patienten wiesen nach einer CRISPR/Cas9-Behandlung bereits leicht erhöhte Werte eines Proteins auf, das eigentlich bei dieser Krankheit wegen des Gendefekts nicht gebildet werden kann. Ferner wird CRISPR/Cas9 an HIV-Patienten in ersten klinischen Studien getestet. Ziel ist es, mithilfe der CRISPR/Cas9-Technik das virale Erbgut des HI-Virus zu entfernen.

In der Landwirtschaft steht die Technologie sogar schon in den Startlöchern zur Vermarktung: So nutzen Pflanzenforscher die Genschere, um neue Varianten von Pflanzen zu entwickeln, die Schimmel, Schädlingen und Dürre standhalten. Mit ihr kann das Pflanzenerbgut wesentlich schneller und genauer verändert werden als durch die bisher gängige Zufallsmutagenese und Einkreuzungen über klassische Züchtung.

„Ich bin wirklich verblüfft darüber, mit welcher Geschwindigkeit sich die Forschung an CRISPR und möglichen Anwendungen in den letzten Jahren entwickelt hat“, erklärte Charpentier anlässlich der Vergabe des Nobelpreises. „Ich freue mich auf viele weitere Entwicklungen, besonders solche, mit denen sich schwere Erkrankungen behandeln lassen.“ Zunächst fühlt sich die Forscherin, die zu den wenigen Frauen gehört, die jemals einen Chemie-Nobelpreis erhielten, „zutiefst geehrt, eine Auszeichnung von derartiger Bedeutung zu erhalten“. Sie unterstreiche die Bedeutung der Grundlagenforschung im Bereich der Mikrobiologie, sagte sie.

Die Revolution der Gentechnik durch CRISPR/Cas – als die sie bereits viele Forscher bezeichnen – hat aber auch eine Kehrseite: Szenarien künstlich geschaffenen und veränderten Lebens könnten Realität werden. Dies wirft soziale, rechtliche und ethische Fragen auf, die derzeit noch unbeantwortet sind. Die Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina, die Deutsche Akademie der Technikwissenschaften – acatech, die Union der deutschen Akademien der Wissenschaften und die Deutsche Forschungsgemeinschaft veröffentlichten deshalb bereits eine Stellungnahme zu den „Chancen und Grenzen des Genome editing“. Auch der Deutsche Ethikrat diskutiert über Keimbahneingriffe am Menschen und verabschiedete eine Ad-hoc-Empfehlung zu „Keimbahneingriffen am menschlichen Embryo“.

Vor nahezu exakt einem Jahr beleuchtete auch der Ethikrat der Max-Planck-Gesellschaft in einem Diskussionspapier verschiedene Anwendungsgebiete und Aspekte der Genom-Editierung. Die Autoren des Papiers, zu denen auch Charpentier gehört, lehnen im Gegensatz zur Genom-Editierung von somatischen Zellen die Veränderung von Keimbahnzellen unter den gegenwärtigen Bedingungen ab.

Ethische Bedenken

Doch international nutzen bereits einige Forscher das CRISPR/Cas9-System für Experimente an menschlichen Keimzellen. Für Charpentier ist das ein Tabubruch, wie sie dem Deutschen Ärzteblatt bereits bei einem Gespräch vor vier Jahren sagte: „Persönlich habe ich Bedenken in Bezug auf Eingriffe in die menschliche Keimbahn mittels CRISPR/Cas9“, erläuterte sie am Rande eines Leopoldina-Symposiums im September 2016. „Die Technologie hat ein hohes Potenzial für die Humanmedizin. Aber ich kenne momentan keine überzeugenden Gründe, warum man humane Keimzellen manipulieren sollte. Dafür ist CRISPR-Cas9 auch nicht entwickelt worden.“

Die Wissenschaftlerin findet, man sollte menschliche embryonale Zellen restriktiv behandeln und genetische Manipulationen nur nach gründlicher Prüfung von Fall zu Fall vornehmen. „Ich würde mir wünschen, dass immer die Gründe in jedem einzelnen Fall sehr genau geprüft werden. Ethische Aspekte zur Anwendung von CRISPR-Cas9 benötigen eine Diskussion zwischen Forschern, Klinikern und Ethikern“, betonte sie.

Momentan stehen jedoch zunächst die Gratulationen zum Nobelpreis im Vordergrund: Prof. Dr. rer. nat. Gerald Haug, Präsident der Nationalen Akademie der Wissenschaften Leopoldina, freut sich, dass mit Charpentier eine herausragende Kollegin der Max-Planck-Gesellschaft und ein Mitglied der Leopoldina geehrt wird. Der Vorsitzende des Berlin Institute of Health, Prof. Dr. rer. nat. Christopher Baum, der Charpentier persönlich gut kennt, sprach angesichts der Bekanntgabe der Preisträgerinnen gar von einem „Gänsehautmoment“. Dr. med. Eva Richter-Kuhlmann

Die Nobelpreisträgerinnen

Foto: picture alliance/Newscom /HALLBAUER & FIORETTI
Foto: picture alliance/Newscom /HALLBAUER & FIORETTI

Emmanuelle Charpentier ist wissenschaftliche und geschäftsführende Direktorin der Max-Planck-Forschungsstelle für die Wissenschaft der Pathogene und Honorarprofessorin an der Humboldt-Universität zu Berlin. Zuvor war die jetzt 51-jährige Französin bis 2017 Professorin am Laboratory for Molecular Infection Medicine und Gastprofessorin am Umeå Centre for Microbial Research der Umeå Universität, Schweden, wo sie sich 2013 in Medizinischer Mikrobiologie habilitierte. Charpentier studierte Biochemie, Mikrobiologie und Genetik an der Universität Pierre und Marie Curie (jetzt Universität Sorbonne) in Paris, Frankreich.

Foto: picture alliance/newscom
Foto: picture alliance/newscom

Jennifer A. Doudna ist eine US-amerikanische Biochemikerin und Molekularbiologin an der University of California, Berkeley. Sie bestimmte die Kristallstruktur katalytisch aktiver RNA-Moleküle (Ribozyme) und ermöglichte damit ein tieferes Verständnis der RNA-Funktion. 2012 veröffentlichte die jetzt 56-jährige mit Charpentier die grundlegende Arbeit zur CRISPR/Cas-Methode. 1994 erhielt sie eine erste Professur an der Yale University und war 2000/2001 Gastprofessorin an der Harvard University, bevor sie 2003 an die University of California, Berkeley, wechselte.

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