Vor etwa drei Jahren hörte Bruce Conklin von einer Methode, die alles in seinem Labor verändern sollte. Der Genetiker von den Gladstone Institutes in San Francisco untersuchte seit Jahren den Zusammmenhang von DNA-Veränderungen und Erkrankungen des Menschen, doch seine Werkzeuge, die Tools, machten ihm einfach zu schaffen. Er arbeitete mit Zellen aus Patienten, wusste aber nicht, welche DNA-Sequenzen für deren Erkrankung wirklich entscheidend waren und welche nicht. Damals war das experimentelle Einführen von Mutationen in die DNA auch nicht nur teuer, sondern vor allem sehr arbeitsintensiv: "Allein die Veränderung eines Gens war schon eine ganze Diplomarbeit", erzählt er.

Im Jahr 2012 las er dann von einer neuen Technik namens CRISPR, mit deren Hilfe die DNA fast jedes Organismus, einschließlich des Menschen, schnell und einfach manipuliert werden könne. Conklins Labor legte schon bald seinen bisherigen Ansatz ad acta, begann mit der neuen Methode und arbeitet seitdem mit Hochdruck daran, alle möglichen Gene im Zusammenhang mit Herzerkrankungen zu mutieren. "CRISPR stellt einfach alles auf den Kopf", sagt er.

Dieses Gefühl haben viele, denn CRISPR mischt die biomedizinische Forschung richtig auf. Im Gegensatz zu anderen Gene-Editing-Methoden ist sie billig, schnell und einfach – nicht ohne Grund hat sie inzwischen in vielen Labors rund um die Welt Einzug gehalten. Forscher wollen damit Gene verändern, um Krankheiten zu heilen, widerstandsfähigere Pflanzen zu züchten, Pathogene auszurotten und vieles mehr. "Seit ich in der Wissenschaft tätig bin, gab es zwei große Meilensteine: die Entwicklung der PCR und die von CRISPR", sagt der Genetiker John Schimenti von der Cornell University in Ithaca in New York. Die PCR als Methode zur DNA-Amplifikation hat seit ihrer Erfindung im Jahr 1985 die Gentechnologie revolutioniert – "nun mischt CRISPR die Biowissenschaften ganz gehörig auf", sagt Schimenti.

"CRISPR stellt einfach alles auf den Kopf" (Bruce Conklin)

Aber bei all den neuen Möglichkeiten macht manchen Wissenschaftlern das halsbrecherische Tempo der Entwicklung Sorgen, das kaum Zeit für ethische und sicherheitstechnische Bedenken einräumt. Dabei wurden diese urplötzlich sehr konkret, als im April die Nachricht vom Einsatz des CRISPR-Systems in der Embryonenforschung kam. Die hierbei genutzten Embryonen konnten zwar nicht zu lebensfähigen Organismen heranwachsen, die Publikation heizte aber die Debatte darüber an, ob und wie weit CRISPR zur Einführung vererbbarer Veränderungen im menschlichen Genom eingesetzt werden darf. Manche Wissenschaftler fordern mehr Untersuchungen, ob die Methode aberrante und potenziell riskante Genome hervorbringt; andere sorgen sich über mögliche fatale Konsequenzen für ganze Ökosysteme. "Die neue Technologie kann problemlos in jedem Labor genutzt werden, und das ohne extrem teure Ausstattung und jahrelange Einarbeitung der Mitarbeiter", sagt der Systembiologe Stanley Qi von der Stanford University in Kalifornien. "Wir sollten daher immer gut über die Anwendung und ihre Auswirkungen nachdenken."

Revolution in der Forschung

Biologen können schon lange das Genom mit molekularen Werkzeugen manipulieren. Vor etwa zehn Jahren waren alle ganz begeistert von so genannten Zinkfingernukleasen, die besonders genau und effizient DNA-Sequenzen verändern sollten. Die Enzyme fanden aber letztlich doch keine breite Anwendung, weil sie schwierig herzustellen und mit etwa 5000 Dollar sehr teuer sind, erklärt der Molekularbiologe James Haber von der Brandeis University in Waltham in Massachusetts. CRISPR funktioniert ganz anders als die bisher bekannten Systeme. Die Grundlage ist ein Enzym namens Cas9, das mit Hilfe eines kurzen RNA-Schnipsels, der so genannten guide RNA, an seine Ziel-DNA geleitet wird. Dort schneidet es die DNA, wobei Gene zerstört oder gewünschte Sequenzen eingefügt werden können. Bei der Methode müssen die Forscher oftmals nur das entsprechende RNA-Fragment bestellen, ansonsten werden Standardreagenzien benötigt, und die Gesamtkosten liegen damit bei etwa 30 Dollar. "So ist die Technik jedem zugänglich und jeder kann sie nutzen", sagt Haber dazu. "Das ist eine echte Revolution."

CRISPR drängte die anderen Gene-Editing-Technologien wie Zinkfingernukleasen schnell in den Hintergrund. Mancher Forscher ließ dafür sogar Methoden fallen, die er in seinem Labor über Jahre hinweg perfektioniert hatte. "Das deprimiert mich zwar etwas", sagt der Genetiker Bill Skarnes vom Wellcome Trust Sanger Institute in Hinxton in Großbritannien, "aber ich bin auch fasziniert von den neuen Möglichkeiten." Skarnes hatte viele Jahre seiner Karriere mit einer Technik gearbeitet, die Mitte der 1980er Jahre entwickelt wurde: der Herstellung gentechnisch veränderter Mäuse mit Hilfe embryonaler Stammzellen, in die zuvor DNA des gewünschten Gens eingebracht wird. Die Methode wurde irgendwann zur Routine, aber sie ist langwierig und teuer – mit CRISPR dauert das Ganze nur einen Bruchteil der Zeit und Skarnes arbeitet nun schon seit zwei Jahren damit in seinem Labor.

Zunehmend Erfolgreich: CRISPR
© Wesley Fernandes/Nature, nach: Scopus (Publikationen) / The Lens (Patente) / NIH RePORTER (Finanzmittel); dt. Bearbeitung: Spektrum der Wissenschaft; Ledford, H.: CRISPR, the disruptor. In: Nature 522, S. 20-24, 2015
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Die DNA-Sequenzen namens CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats) sind Teil eines bakteriellen Abwehrsystems. Seitdem Wissenschaftler im Jahr 2012 zeigen konnten, wie das CRISPR-System zum Genome Editing genutzt werden kann, hat sich die Methode schnell verbreitet, was sich am steilen Anstieg von Publikationen, Patenten und Finanzmitteln erkennen lässt.

Forscher haben schon immer viel mit Modellorganismen wie Mäusen und Fruchtfliegen gearbeitet, schon allein weil es für diese gute Tools zur genetischen Manipulation gab. Mit CRISPR lassen sich nun Gene in noch ganz anderen Organismen verändern. So berichteten im April beispielsweise Forscher aus dem Whitehead Institute for Biomedical Research in Cambridge in Massachusetts von ihren Erfahrungen mit dem neuen System beim Pilz Candida albicans, der für Menschen mit einem geschwächten Immunsystem besonders gefährlich ist und sich bisher nur schlecht im Labor modifizieren ließ. Jennifer Doudna von der University of California in Berkeley ist Pionierin in Sachen CRISPR und hat eine ganze Liste von modifizierten Organismen. Unter den drei Dutzend Einträgen finden sich krankheitserregende Parasiten wie Trypanosoma sowie Hefe zur Produktion von Biokraftstoffen.

Der rasche Fortschritt hat aber auch seine Tücken. "Keiner hat Zeit, das System erst einmal ganz basal zu charakterisieren", kritisiert Bo Huang, der als Biophysiker an der University of California in San Francisco arbeitet. "Solange alles funktioniert, interessiert es keinen, wie und warum." Deshalb laufen Forscher auch zuweilen gegen die Wand, wie Huang, der mit seinem Labor zwei Monate brauchte, um das CRISPR-System erst einmal für Imaging-Untersuchungen entsprechend anzupassen. Seiner Meinung nach hätte es nicht so lange gedauert, wenn er mehr über die Optimierungsmöglichkeiten beim Design der guide RNAs gewusst hätte. Diese sind die Grundlage des ganzen Systems, und kleinste Unterschiede in der Sequenz können für das Gelingen der Experimente entscheidend sein.

Die meisten Wissenschaftler sehen diese Etablierungsarbeiten nur als kleines Übel beim Einsatz der sehr potenten Technik. Doudna macht sich dagegen seit einer Konferenz im Jahr 2014 eher wegen der Sicherheit ernste Sorgen. Ein Postdoc zeigte dort Daten zu einem Viruskonstrukt, mit dem die Komponenten des CRISPR-Systems durch Inhalation in Mäuse eingebracht werden konnten, woraufhin das CRISPR-System Mutationen in die DNA einführen und die Forscher damit ein Modell für Lungenkrebs aufbauen konnten. Während der Präsentation lief es Doudna eiskalt den Rücken hinunter: Bei einem kleinsten Fehler im Design der guide RNA könnte durchaus ein CRISPR-Molekül entstehen, das auch in der Lunge des Menschen aktiv ist. "Es hat mich extrem beunruhigt, dass möglicherweise Studenten mit diesem Tool arbeiten, ohne zu wissen, was sie damit anstellen können", sagt sie besorgt. "Die Leute müssen endlich kapieren, wozu die Technik im Stande ist."

Andrea Ventura ist Krebsforscher am Memorial Sloan Kettering Cancer Center in New York und Hauptautor der Arbeit. In seinem Labor würden die Sicherheitsbestimmungen gewissenhaft beachtet, kontert er. Die Sequenzen der guide RNA waren gegen mausspezifische Zielregionen im Genom gerichtet, und das Virus wurde inaktiviert, so dass es nicht mehr replikationsfähig war. Trotzdem müsste man natürlich jegliche noch so unwahrscheinlichen Risiken bedenken. "Die guides sollten zwar theoretisch im humanen Genom nicht schneiden, aber man weiß ja nie", fügt er hinzu. "Auch wenn das nicht sehr wahrscheinlich ist, muss man es immer im Hinterkopf behalten."

Krankheiten genetisch ausradieren

Der Biotechnologe Daniel Anderson und seine Mitarbeiter vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge zeigten letztes Jahr, wie sie mit Hilfe des CRISPR-Systems in der Maus eine Mutation korrigieren konnten, die mit der beim Menschen bekannten Stoffwechselerkrankung Tyrosinämie assoziiert ist. Dies war die erste Korrektur einer krankheitsverursachenden Mutation in erwachsenen Tieren mit Hilfe des CRISPR-Systems – ein wichtiger Schritt in Richtung des Einsatzes der Technologie in der Gentherapie beim Menschen.

Für große Aufregung unter Wissenschaftlern und Biotechnologen sorgte zuletzt die Vorstellung, CRISPR könne die Entwicklung in der Gentherapie beschleunigen. Aber neben dem Potenzial der Methode verdeutlicht Andersons Paper auch, wie immens der Aufwand sein kann. Um das Cas9-Enzym und seine guide RNA in die Leber als Zielorgan im Versuchstier einbringen zu können, mussten die Forscher große Mengen Flüssigkeit in die Blutgefäße injizieren, was beim Menschen schlichtweg undenkbar wäre. Außerdem wurde die Mutation nur in 0,4 Prozent der Zellen korrigiert, was sicherlich bei vielen Krankheiten gar nicht ausreichen würde.

In den letzten zwei Jahren sind ein paar Firmen auf den Zug aufgesprungen und wollen CRISPR für die Entwicklung einer Gentherapie nutzen. Nicht nur Anderson erwartet die ersten klinischen Studien schon in den kommenden ein bis zwei Jahren. Anfangs werden CRISPR-Komponenten vielleicht erst einmal direkt ins Gewebe gespritzt, beispielsweise ins Auge. Oder Zellen werden dem Patienten entnommen, im Labor modifiziert und dann in den Körper zurückgegeben. So könnten zum Beispiel Blutstammzellen manipuliert werden, um Erkrankungen wie Sichelzellenanämie oder Beta-Thalassämie zu behandeln. Schwieriger wird es mit dem Transfer von Enzym und guide RNA in andere Organe, doch die Forscher hoffen trotzdem, eines Tages eine ganze Bandbreite von Erbkrankheiten angehen zu können.

Viele Wissenschaftler geben aber auch zu bedenken, wie viel noch zu tun sei, bevor CRISPR sicher und wirksam eingesetzt werden könne. So muss erst noch die Effizienz des Editings gesteigert werden, aber natürlich ohne gleichzeitig Änderungen an anderer Stelle im Genom einzuführen und die Gesundheit des Patienten hierdurch zu gefährden. "Die Enzyme schneiden nicht nur an der vorgesehenen Stelle, was eine Menge Folgen haben kann", weiß Haber. "Wenn man das Sichelzellgen in einer Stammzelle ersetzen möchte, müsste man sich erst einmal fragen, welchen Schaden man damit an anderer Stelle im Genom anrichten könnte."

Keith Joung forscht am Massachusetts General Hospital in Boston am Gene Editing und fand heraus, wie sich so genannte off-target cuts des Cas9-Enzyms, sprich fehlerhaft platzierte Schnitte in der DNA, erkennen lassen. Deren Frequenz scheint von Zelle zu Zelle und von Sequenz zu Sequenz stark zu schwanken. Nicht nur sein Labor hat solche off-target sites mit Mutationsfrequenzen von 0,1 bis über 60 Prozent gefunden. Auch weniger häufige, unvorhersehbare cuts könnten gefährlich werden, wenn sie das Wachstum einer Zelle beschleunigen und zu Krebs führen, sagt er.

Bei so vielen noch unbeantworteten Fragen sollte man unbedingt die Erwartungen an CRISPR etwas bremsen, meint Katrine Bosley, die Geschäftsführerin des Unternehmens Editas in Cambridge in Massachusetts, das derzeit an der Entwicklung einer CRISPR-basierten Gentherapie arbeitet. Bosley gilt als alter Hase in der Markteinführung neuer Technologien und weiß, wie schwer die Leute von einer neuen Methode zu überzeugen sind. "Bei CRISPR ist es komplett das Gegenteil", stellt sie fest. "Alle sind so begeistert und positiv – aber wir müssen unbedingt realistisch bleiben und uns den Preis dafür vor Augen halten."

CRISPR und die Landwirtschaft

Während Anderson und viele seiner Kollegen die DNA in menschlichen Zellen verändern wollen, gibt es auch Ansätze im Bereich Ackerbau und Viehzucht. Bevor die Techniken zum Gene Editing auf den Markt kamen, wurden hier die gewünschten Gene meist an zufälliger Position ins Genom integriert, zusammen mit Sequenzen aus Bakterien, Viren oder anderen Spezies als Vehikel. Diese Methoden waren aber sehr ineffizient und standen immer in der Kritik, weil DNA verschiedener Spezies gemischt wurde oder andere Gene durch die Insertion eventuell zerstört wurden. Außerdem ist das Genehmigungsverfahren für genmanipulierte Nutzpflanzen so kompliziert und teuer, dass bisher fast nur an Massenprodukten wie Mais und Sojabohnen gearbeitet wurde.

Mit CRISPR könnte sich das ändern, weil das einfache und kostengünstige System auch für weniger häufige und speziellere Ackerpflanzen und Nutztiere interessant sein könnte. In den letzten Jahren haben Forscher mit der neuen Technik Minischweine sowie krankheitsresistenten Weizen und Reis hergestellt. Fortschritte gab es auch in Richtung enthornte Rinder, weniger krankheitsanfällige Ziegen und mit Vitaminen angereicherte süße Orangen. Doudna sieht ihre Liste von CRISPR-basierten modifizierten Organismen schon wachsen. "Das ist eine gute Möglichkeit für Experimente oder Manipulationen an Pflanzen, die aus kommerzieller Sicht nicht so attraktiv, für die Wissenschaft aber umso interessanter sind – oder vielleicht einfach für den Gemüsegarten", meint sie.

Weil sich mit CRISPR DNA-Sequenzen sehr gezielt und exakt editieren lassen, wird es für die Behörden und Landwirte noch schwieriger, genveränderte Organismen nach der Freigabe überhaupt noch zu erkennen. "Beim Einsatz von Gene Editing lassen sich die manipulierten Produkte nicht mehr nachverfolgen", weiß Jennifer Kuzma, die Wissenschaftspolitik an der North Carolina State University in Raleigh studiert. "Da lässt sich nur schwer erkennen, ob es sich um eine natürliche Mutante handelt oder um einen gentechnisch veränderten Organismus."

Das lässt nun die Alarmglocken bei Gegnern von gentechnisch veränderten Lebensmitteln läuten, und auch für die Länder stellen sich schwierige Fragen hinsichtlich der Vorschriften für geneditierte Pflanzen und Tiere. In den USA muss bisher erst die Gesundheitsbehörde FDA jedes gentechnisch veränderte Tier für den Verzehr durch den Menschen zulassen; bis jetzt hat die Behörde aber noch nicht angekündigt, wie sie mit den neuen geneditierten Tieren verfahren wird.

"Regulierungsbehörden und Organisationen müssen die Lage in den Griff bekommen" (Kenneth Oye)

Nach den bisherigen Regeln unterliegen nicht alle durch Gene Editing geschaffenen Kulturpflanzen den Vorschriften des US-Landwirtschaftsministeriums. Die Behörde arbeitet aber seit Mai an Verbesserungen der Vorschriften für genetisch veränderte Kulturpflanzen, was erste Anzeichen einer Neubewertung der Richtlinien mit Blick auf Technologien wie CRISPR sein könnten. "Die Tür ist offen", nennt es Kuzma. "Was passiert, werden wir sehen. Aber dass es überhaupt so weit kam, ist schon gut."

Veränderte Ökosysteme

Neben einem Einsatz in der Landwirtschaft wird auch schon darüber nachgedacht, ob CRISPR an Lebewesen in der freien Wildbahn eingesetzt werden könnte – oder vor allem sollte. Besonders intensiv wird diskutiert, ob sich ein manipuliertes Gen rasch durch eine "Gene Drive" genannte Technik in einer ganzen Population durchsetzen kann. Die Arbeiten hierzu stehen erst am Anfang, denkbar wäre aber, dass dies genutzt werden könnte, um Krankheitsüberträger wie Moskitos oder Zecken auszurotten, invasive Pflanzen zu eliminieren oder die Herbizidresistenz des Weidenröschens auszulöschen, gegen die so mancher Farmer in den USA zu kämpfen hat.

Normalerweise brauchen DNA-Veränderungen eines Organismus sehr lange, bis sie sich einer ganzen Population ausgebreitet haben. Das liegt daran, dass eine Mutation in der Regel nur auf einem der zwei Chromosomen auftritt und somit nur an die Hälfte der Nachkommen weitergegeben wird. Beim Gene Drive kopiert sich aber die auf einem der Chromosomen eingeführte Mutation selbstständig auf das Schwesterchromosom, so dass von Generation zu Generation letztendlich alle Nachkommen die Veränderung erben. Damit verbreitet sie sich exponentiell und schneller als sonst, und beispielsweise die in eine Stechmücke eingeführte Mutation könnte sich innerhalb einer Saison in einer großen Population ausbreiten. Wenn diese Mutation nun die Menge an Nachkommen reduziert, könnte damit relativ schnell die Population ausgerottet werden, zusammen mit all den Malariaparasiten, welche die Moskitos in sich tragen.

Der "Gene Drive"
© Wesley Fernandes/Nature; dt. Bearbeitung: Spektrum der Wissenschaft; Ledford, H.: CRISPR, the disruptor. In: Nature 522, S. 20-24, 2015
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Mit Hilfe des CRISPR Gene Editing lassen sich genetische Veränderungen schnell von Generation zu Generation verbreiten. Hiermit könnte eine ganze Population von Krankheitserreger übertragenden Moskitos ausgerottet werden.

Viele Forscher sorgen sich aber eher darüber, dass die Veränderung oder gar Ausrottung einer ganzen Population drastische und unvorhersehbare Konsequenzen für das betroffene Ökosystem haben kann. Statt der einen Plage könnten dann andere aufkommen oder die Fressfeinde weiter oben in der Nahrungskette darunter leiden. Die Forscher warnen auch davor, dass die guide RNAs selber im Lauf der Zeit mutieren könnten und dann auch ganz andere Teile des Genoms verändern würden. Diese Mutationen würden sich dann wieder rasend schnell in der Population ausbreiten – mit nicht kalkulierbaren Folgen.

"Solche Ansätze müssen sich wirklich lohnen, weil sie möglicherweise nicht umkehrbar sind – dazu vielleicht auch nicht gewollt und mit schwer einschätzbaren Auswirkungen auf andere Spezies", sagt der Biotechnologe George Church von der Harvard Medical School in Boston. Im April 2014 veröffentlichte "Science" einen Kommentar von Church und einigen anderen Wissenschaftlern und Politikexperten, in dem sie die Forschergemeinde vor den Risiken warnten und neue Möglichkeiten zum Schutz vor unbeabsichtigter Freisetzung von experimentellen Gene Drives vorschlugen.

Damals schien es alles noch sehr weit weg zu sein, doch weniger als ein Jahr später berichtete der Entwicklungsbiologe Ethan Bier von der University of California in San Diego mit seinem Studenten Valentino Gantz von der Etablierung des CRISPR-Systems in Fruchtfliegen. Bier und Gantz hielten ihre Fliegen in drei ineinandergestellten Kästen und passten die Sicherheitsmaßnahmen im Labor denen für das Arbeiten mit malariainfizierten Moskitos an. Aber sie befolgten nicht alle von den Autoren des Kommentars geforderten Maßnahmen, wie beispielsweise eine Art Notbremse, um die Änderungen wieder zunichtezumachen. Laut Bier seien die bisherigen Experimente auch lediglich als Nachweis der generellen Funktion des Systems gedacht, bevor die Forscher komplexere Fragen angehen.

Nicht nur für Church ist das eine klare Warnung, wie die allgemeine Zugänglichkeit des Genom Editings mittels CRISPR unerwartete und unerwünschte Folgen haben kann. "Nun müssen sich die nationalen Regulierungsbehörden und internationalen Organisationen darum kümmern und die Lage wirklich in den Griff bekommen", meint der Politikwissenschaftler Kenneth Oye vom Massachusetts Institute of Technology, Erstautor des Kommentars in "Science". "Da muss einfach mehr passieren." Der nationale Forschungsrat der USA hat einen Ausschuss zum Thema Gene Drive gebildet, und langsam beginnen auch die Diskussionen auf höchster Ebene. Aber Oye sorgt sich wegen der rasanten Entwicklung und fürchtet, dass Änderungen der Vorschriften erst dann kommen werden, wenn Gene-Drive-Organismen schon unkontrolliert ins Freiland gelangt sind.

Doch alles hat zwei Seiten. Der Insektenökologe Micky Eubanks arbeitet an der Texas A&M University in College Station in Texas und war anfangs vom Gene Drive entsetzt. "Mein erstes Bauchgefühl war: Oh mein Gott, ist das schrecklich und unheimlich", erinnert er sich. "Wenn man sich aber etwas damit beschäftigt und es gegen all die Umweltveränderungen aufwiegt, die wir eh schon verursacht haben und auch noch weiter tun, dann fällt das neue System schon kaum noch ins Gewicht."

Im Rückblick betrachtet gab es bei der Einführung neuer Methoden oft euphorische Begeisterungsstürme, die dann nach und nach im Zuge der ersten Probleme in Bedenken und schließlich sogar Enttäuschung umschlugen. Wie so mancher Forscher weiß das auch James Wilson von der University of Pennsylvania in Philadelphia, der in den 1990er Jahren ganz enthusiastisch bei den ersten Ansätzen zur Gentherapie dabei war – allerdings auch beim Absturz, als bei einer klinischen Studie ein junger Mann verstarb. Das ganze Forschungsfeld geriet damals ins Trudeln und hat lange gebraucht, um sich wieder zu erholen. CRISPR ist noch ganz neu, sagt Wilson, und sein wirkliches Potenzial wird sich erst in vielen Jahren zeigen. "CRISPR ist noch in der Erkundungsphase und die Ideen müssen erst noch reifen."

Wilson ist schon jetzt von CRISPR überzeugt. Natürlich sei er anfangs skeptisch gewesen bei all den großspurigen Versprechungen, bis sein eigenes Labor auf einmal damit herumspielte. Am Ende wird CRISPR im Therapiebereich einmal seine Anwendung finden, prophezeit er: "Es ist schlicht ziemlich großartig".