CRISPR & Geneditierung

Im März 2011 trafen Jennifer Doudna und Emmanuelle Charpentier auf einer Konferenz in Puerto Rico zum ersten Mal aufeinander. Doudna leitete in Berkeley ein strukturbiologisches Labor und arbeitete an RNA; Charpentier war Mikrobiologin in Umeå und untersuchte das adaptive Immunsystem, das Bakterien gegen Viren hervorgebracht haben. Bakterien legen in einem Genomabschnitt namens CRISPR Schnipsel viraler DNA ab und erkennen damit über das Protein Cas9 bei einer erneuten Infektion die passende Virus-DNA, um sie zu zerschneiden. Was die beiden erkannten — und 2012 erprobten —, war: Man kann das System CRISPR-Cas9 über die Leit-RNA so umprogrammieren, dass es jede beliebige DNA-Sequenz schneidet. Binnen eines Jahres hatte das Labor von Feng Zhang am Broad Institute Cas9 auf Säugetier- und menschliche Zellen übertragen. Doudna und Charpentier teilten sich den Nobelpreis 2020.

CRISPR-Cas9 ist eine programmierbare molekulare Schere. Zwei funktionale Bauteile machen sie aus: das Enzym Cas9, eine Nuklease, die beide DNA-Stränge an der Stelle durchtrennt, auf die man sie ansetzt, und eine Leit-RNA, die sich an die Zielsequenz anlagert — rund 20 Nukleotide lang und das Einzige, was von Ziel zu Ziel ausgetauscht wird. Dazu muss unmittelbar hinter der Zielstelle ein kurzes protospacer-benachbartes Motiv (PAM) sitzen. Ist der Doppelstrang durchtrennt, übernimmt die zelleigene Reparatur. Die nichthomologe Endverknüpfung arbeitet fehleranfällig: Sie fügt die Schnittenden zwar wieder zusammen, schiebt dabei aber meist kleine Einfügungen oder Verluste ein, die den Leserahmen zerstören — heraus kommt ein Knockout. Die homologiegerichtete Reparatur schreibt anhand einer Vorlage eine bestimmte Sequenz ein, und so entstehen präzise Edits; sie ist allerdings um mehrere Größenordnungen ineffizienter und setzt voraus, dass die Zelle sich in der S/G2-Phase befindet — die zentrale Grenze der Technik. Am ursprünglichen Cas9 ist seither viel gebaut worden. Baseneditoren (Labor von David Liu, 2016) koppeln ein katalytisch totes Cas9 an eine Desaminase und tauschen eine Base gegen eine andere, ganz ohne Schnitt. Prime-Editoren (Liu, 2019) weiten den Ansatz mit einer reversen Transkriptase auf kleine Einfügungen und Verluste aus. Cas13 setzt an RNA an. Die CRISPR-Diagnostik (SHERLOCK, DETECTR) nutzt die kollaterale Spaltung, um bestimmte Sequenzen hochempfindlich nachzuweisen; 2020 folgte die FDA-Notfallzulassung für COVID-19. Das folgenreichste ethische Ereignis in der Geschichte der Technik war die Ankündigung von He Jiankui im November 2018, er habe mit CRISPR das CCR5-Gen in menschlichen Embryonen editiert, die eingesetzt und ausgetragen worden waren. Der Eingriff betraf die Keimbahn — die Änderung wird an Nachkommen vererbt — und war medizinisch nicht nötig. Die internationale Wissenschaftsgemeinschaft verurteilte das Experiment einhellig; He wurde in China zu drei Jahren Haft verurteilt. Dabei schälte sich die Unterscheidung zwischen somatisch und Keimbahn heraus: Somatische Edits betreffen nur den behandelten Menschen; Keimbahn-Edits betreffen künftige Generationen, die nicht einwilligen können, und stehen faktisch unter einem internationalen Moratorium.