CRISPR-Cas: Rasanter Fortschritt in der Genombearbeitung

Die Genombearbeitung mit verschiedenen CRISPR-Cas-Molekülkomplexen hat in den vergangenen Jahren rasante Fortschritte gemacht. Weltweit arbeiten mittlerweile hunderte von Laboren daran, solche Werkzeuge für die Klinik nutzbar zu machen, und sie entwickeln sie laufend weiter.

CRISPR-Cas-Werkzeuge erlauben es Forschenden unter anderem, einzelne Bausteine des Erbguts präzise und zielgerichtet zu verändern. Mit Gentherapien, die auf solchen Gen-Editierungen beruhen, lassen sich schon heute Erbkrankheiten behandeln, Krebs bekämpfen oder auch Kulturpflanzen herstellen, die resistent sind gegen Dürren und Hitze.

Mit dem CRISPR-Cas9-Molekülkomplex, der auch als Genschere bekannt ist, arbeiten Wissenschaftler:innen weltweit am häufigsten. Dieser Molekülkomplex zerschneidet den DNA-Doppelstrang exakt an der Stelle, an der das Erbgut verändert werden soll - im Gegensatz zu neueren Gen-Editierungsmethoden, bei denen nicht der Doppelstrang durchtrennt wird.

Der Schnitt aktiviert zwei natürliche Reparaturmechanismen, mit der die Zelle solche Schäden flickt: einen schnellen, aber ungenauen, bei dem lediglich die Enden der zerschnittenen DNA wieder zusammengefügt werden, und einen langsamen und gründlichen, der aber nicht in jedem Fall aktiviert wird. Letzterer benötigt für die Reparatur eine kopierfähige Vorlage, um die DNA an der Schnittstelle exakt wiederherzustellen.

Die langsame Variante heisst homologiegerichtete Reparatur. Die Forschenden möchten diesen Reparaturweg nutzen, weil sie damit präzise einzelne DNA-Segmente in eine gewünschte Genregion einbauen können.

Der Ansatz ist sehr flexibel und eignet sich, um verschiedene Krankheitsgene zu reparieren. „Im Grunde genommen kann man damit beliebige Krankheiten heilen", sagt Jacob Corn, Professor für Genombiologie der ETH Zürich.

Um die Zelle dazu zu bringen, die homologiegerichtete Reparatur zu starten, setzen Forschende seit kurzem ein Molekül namens AZD7648 ein, das die Schnellreparatur blockiert und die Zelle dazu zwingt, die homologiegerichtete Reparatur zu verwenden. Dieser Ansatz sollte die Entwicklung von effizienteren Gentherapien beschleunigen. Erste Studien, die solche neuen Therapien verwendet haben, waren gut. Zu gut, um wahr zu sein, wie sich jetzt herausstellt.

AZD7648 und CRISPR-Cas9: Optimierung mit Schattenseiten

Zwar fördert AZD7648 wie erhofft den präzisen Reparaturvorgang und damit die präzise Gen-Editierung mittels des CRISPR-Cas99-Systems. Bei einem erheblichen Teil der Zellen hat dies jedoch zu massiven genetischen Veränderungen in einem Teil des Genoms geführt, von dem erwartet wurde, dass er ohne Narben verändert wird.

Gefährliche Genom-Schäden: Was die CRISPR-Cas-Technologie noch lernen muss

„Analysierten wir die Stellen des Genoms, wo es editiert wurde, sah es korrekt und präzise aus", erklärt Grégoire Cullot, Postdoc in Corns Gruppe und Erstautor der Studie. „Analysierten wir aber das Genom weiträumiger, bemerkten wir massive genetische Änderungen. Diese sieht man nicht, wenn man nur den kurzen editierten Abschnitt und dessen unmittelbare Nachbarschaft analysiert."

Das Ausmass der negativen Auswirkungen überrasche die Forschenden. Sie gehen sogar davon aus, dass sie das gesamte Ausmaß noch nicht vollständig erfassen können, da sie in ihren Analysen nicht das vollständige Genom, sondern lediglich einzelne Teilbereiche untersucht haben. Um nun Schadensausmass und das Potenzial des Verfahrens abzuklären, werden neue Testverfahren, Vorgehensweisen und Regulierungen benötigt

Wie sicher ist die Genschere wirklich?

Interessant ist auch, dass das Molekül AZD7648 nicht unbekannt ist, sonder bereits als mögliches Krebstherapeutikum klinisch geprüft wird.

„Wir mahnen zur Vorsicht, dieses Molekül für Genombearbeitungen einzusetzen", so Grégoire Cullot. „Es braucht gross angelegte Tests, um herauszufinden, wie das Genom auf die Editierung mithilfe dieses Moleküls reagiert."

Doch wie wurden die Forschenden auf das Problem aufmerksam? In anderen Studien zeigten Forschende, wie hochwirksam und präzise CRISPR-Cas9-Geneditierung unter Zugabe von AZD7648 arbeitet. „Das machte uns misstrauisch und wir haben deshalb genauer hingeschaut", sagt Jacob Corn.

Die ETH-Forschenden analysierten daraufhin die Abfolge der DNA-Bausteine nicht nur um die bearbeitete Stelle, sondern auch im weiteren Umfeld. Dabei entdeckten sie die unerwünschten und hochgradigen Nebenwirkungen, die der Einsatz von AZD7648 hervorgerufen hatte.

„Es ist nicht alles wunderbar"

Ihre Studie ist die erste, die diese Nebenwirkungen beschreibt. Weitere Forschungsgruppen haben diese nun ebenfalls untersucht und stützen die Resultate. „Wir sind die ersten, die sagen: Es ist nicht alles wunderbar", sagt Corn.

„Für uns ist das ein herber Rückschlag, weil wir wie andere Wissenschaftler gehofft haben, dass wir mit der neuen Technik die Entwicklung von Gentherapien beschleunigen könnten."

Dennoch ist das laut Corn nicht das Ende, sondern der Beginn von weiteren Fortschritten bei der Gen-Editierung mittels CRISPR-Cas-Techniken. „Die Entwicklung jeder neuen Technologie ist ein steiniger Weg. Ein Stolperer bedeutet nicht, dass wir die Technik aufgeben."

Möglicherweise lässt sich die Gefahr bannen, indem man in Zukunft nicht nur ein Molekül einsetzt, um die homologiegerichtete Repartur zu bevorzugen, sondern einen Cocktail an verschiedenen Substanzen. „Es gibt viele mögliche Kandidaten. Wir müssen jetzt herausfinden, aus welchen Komponenten so ein Cocktail zusammengesetzt sein muss, damit das Genom keinen Schaden nimmt."

CRISPR-Cas-Gentherapien: Optimismus trotz Herausforderungen

Gentherapien, die auf dem CRISPR-Cas-System beruhen, wurden in der Klinik bereits erfolgreich angewendet. So wurden in den vergangenen Jahren zum Beispiel 100 Patienten, die an der Erbkrankheit Sichelzellanämie litten, mit Therapeutika auf CRISPR-Cas-Basis behandelt, damals noch ohne AZD7648.

„Alle Patienten gelten als geheilt und haben keine Nebenwirkungen", sagt Corn. „Ich bin deshalb optimistisch, dass sich solche Gentherapien durchsetzen werden. Die Frage ist eher, welcher Weg der Richtige ist und was wir brauchen, damit die Technik sicher anwendbar wird für möglichst viele Patienten und Patientinnen."

Trotz der Rückschläge bleibt die Forschung optimistisch. Die Ergebnisse markieren einen Wendepunkt, um die Sicherheit und Präzision bei der Gen-Editierung zu verbessern und das Potenzial der Technologie weiter zu erschließen.

Originalpublikation:
Cullot, G., Aird, E. J., Schlapansky, M. F., et al. (2024). Genome editing with the HDR-enhancing DNA-PKcs inhibitor AZD7648 causes large-scale genomic alterations. Nature Biotechnology. doi.org/10.1038/s41587-024-02488-6

Quelle: ETH Zürich