Revolution der CRISPR-Technologie – Mit einem neuen Enzym jedes Gen präzise ansteuern

Ingenieure der Duke University entwickelten eine neue Methode. Während die ursprüngliche CRISPR-Geneditierung nur einen Teil des menschlichen Genoms erreichte, nämlich 12,5%, erlaubt sie nun Zugang zu nahezu jedem Gen. Damit lässt sich ein breiteres Spektrum von Krankheiten gezielt angehen und behandeln.

Nature Communications veröffentlichte die Studie, an der auch Partner der Harvard University, des Massachusetts Institute of Technology, der University of Massachusetts Medical School, der Universität Zürich und der McMaster University beteiligt waren.

Pranam Chatterjee, Assistenzprofessor für Biomedizintechnik an der Duke University, erklärte: „Mit diesem neuen Werkzeug können wir nahezu 100% des Genoms wesentlich präziser ansteuern“.

Das CRISPR-Cas-System im Überblick

CRISPR-Cas ermöglicht Bakterien mithilfe von RNA-Molekülen und CRISPR-assoziierten Proteinen (Cas), eindringende Virus-DNA gezielt zu erkennen und zu zerstören. Es ist ein bakterielles Immunsystem. Seit der Entdeckung dieser Geneditierungstechnologie wetteifern Forscher darum, neue CRISPR-Systeme für Gentherapie und Genomtechnik zu entwickeln.

Für ihre bisherigen Leistungen und das Potenzial, die Zukunft zu verändern, wurde die CRISPR-Technologie mit dem Nobelpreis für Chemie 2020 ausgezeichnet.

Das Team untersuchte mögliche therapeutische Anwendungen bei genetischen Erkrankungen, die mit dem Standardsystem nicht behandelbar sind. Zunächst testete es die Methode am Rett-Syndrom. Diese fortschreitende neurologische Erkrankung betrifft besonders junge Frauen und wird durch eine von acht verschiedenen Mutationen in einem bestimmten Gen verursacht.

Der zweite Test betraf Huntington, eine seltene erbliche neurologische Erkrankung mit Degeneration von Nervenzellen im Gehirn. Mit der neuen Technologie konnte das Team zuvor unerreichbare Mutationen verändern und damit mögliche Behandlungsansätze für beide Krankheiten aufzeigen.

Wie funktionieren klassisches CRISPR und das neue Enzym?

Cas-Proteine nutzen bei der Genomeditierung zwei wichtige Bestandteile. Ein RNA-Molekül führt das Enzym zu einer bestimmten DNA-Sequenz. Der zweite ist eine kurze DNA-Sequenz direkt hinter der Zielsequenz, die für die Bindung des Cas-Proteins benötigt wird: das Protospacer Adjacent Motif (PAM). Beide Bestandteile sorgen dafür, dass Cas-Proteine die Ziel-DNA korrekt und effizient erreichen.

Wenn die Leit-RNA die komplementäre Zielsequenz erkennt und das Cas-Enzym an die benachbarte PAM-Sequenz bindet, schneidet es die DNA. Dieser Schnitt leitet die gewünschte genetische Veränderung ein. Das verbreitetste CRISPR-Cas-System ist Cas9 aus Streptococcus pyogenes (SpCas9), das zwei aufeinanderfolgende Guaninbasen (GG) benötigt.

In früheren Arbeiten entdeckten und entwickelten Chatterjee und sein Team mithilfe bioinformatischer Werkzeuge neue Cas9-Proteine, darunter Sc++, das zum Schneiden nur eine Guaninbase im PAM benötigt. Dadurch konnten etwa 50% aller DNA-Sequenzen editiert werden.

Gleichzeitig entwickelten seine Harvard-Kollegen unter Leitung von Benjamin Kleinstiver, Assistenzprofessor an der Harvard Medical School, die eigenständige Variante SpRY. Sie kann an jede der vier DNA-Basen eines PAM binden, bevorzugt jedoch deutlich Adenin und Guanin.

Da beide Systeme Nachteile haben, beschloss die Gruppe, ihre besten Eigenschaften in der neuen Variante SpRyc zu verbinden.

SpRYc schneidet Ziel-DNA langsamer als seine Vorgänger, kann bestimmte DNA-Bereiche aber wirksamer als herkömmliche Enzyme editieren.

Fazit und Kommentar

SpRYc eröffnet eine neue Ära der Geneditierung. Sein Potenzial ist nicht nur im Labor, sondern auch bei der Übertragung in klinische Anwendungen bedeutsam. Höhere Effizienz und Präzision könnten die Zukunft von Gentherapien entscheidend mitgestalten. Während Fortschritte neue Möglichkeiten gegen genetische Erkrankungen eröffnen, bleibt die Erforschung des vollständigen Potenzials von SpRYc eine spannende wissenschaftliche Aufgabe.