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Anders als noch vor zwei Jahren assoziieren heute nicht mehr viele Menschen mit dem Begriff „CRISPR“ so etwas wie einen Müsliriegel. Auch wenn wenige wissen, dass sich dahinter der schwierig verständliche Fachbegriff „clustered regularly interspaced short palindromic repeats“ verbirgt, was zunächst nichts anderes beschreibt als bestimmte Abschnitte sich wiederholender DNA-Stücke im Erbgut von Bakterien, so muss nicht mehr erklärt werden, dass es sich dabei auch um ein mächtiges Tool für das Editieren von Genen verbirgt. Was vor wenigen Jahren noch ein kaum Aufmerksamkeit erregendes Randgebiet der Bakteriophagen-Forschung war und nur einen sehr kleinen Zirkel von hoch spezialisierten Biologen bewegte, hat sich längst zu einem der bedeutendsten wissenschaftlichen und technologischen Durchbrüche dieses Jahrhunderts entwickelt, mit einem gewaltigen revolutionären Potential für Anwendungen in Medizin und Humangenetik. Und unlängst hat die neue Gentechnologie einmal mehr gezeigt, dass sie noch für einige weitere Überraschungen gut ist.

Die Entdeckung von CRISPR geht auf die Erforschung von Phagen in den 1980er Jahren zurück. Phagen sind Viren, die Bakterien anfallen. Einmal mit ihnen infiziert, ist es den Bakterien möglich, Teile der viralen Fremd-DNA in ihre eigene DNA zu integrieren, und zwar in Form wiederkehrender kurzer Palindrome, die von anderen Sequenzen unterbrochen wurden (ein Palindrom ist eine Zeichensequenz, die sich von vorne genauso liest wie von hinten, wie beispielsweise der Name „Anna“). Den Namen „CRISPR“ schlugen die Phagenforscher Francisco Mojica und Ruud Jansen im Jahr 2001 vor, als sie nach weiteren unterbrochenen palindromischen Wiederholungen in Gensequenzen suchten, wie sie bei zahlreichen Phagen bereits entdeckt worden waren. Der eingegliederte DNA-Teil dient den Bakterien zur Wiedererkennung: Sobald es Viren mit dieser DNA erneut angreifen, identifizierten die Bakterienzellen diese DNA und können so Strategien zum Schutz entwickeln. Zu diesem Zweck gesellt sich zur CRISPR-DNA ein weiteres Enzym, ein so genanntes „Cas“ („CRISPR-associated“) – Protein Mit diesem lässt sich die erkannte Gensequenz aufschneiden und damit der Virus unschädlich machen. Von solchen Cas-Proteinen hat Mutter Natur eine ganze Reihe entwickelt, mit jeweils sehr verschiedenen Graden von Effizienz, wenn es darum geht, den Genstrang aufzutrennen. Als besonders nützlich hat sich eine Version erwiesen, die als „Cas9“ bezeichnet wird.

Um das Jahr 2012 herum erkannten die Geningenieure, dass sich der zusammengesetzte CRISPR/Cas9-Komplex auch jenseits der Bakterienwelt sehr gut zum Zwecke der Manipulation von Genen (etwas harmloser auch als „Editieren“ von Genen bezeichnet) eignet. Dabei funktioniert er wie Legobaustein-Finder und Schere zugleich: Man stattet ihn einfach mit einer Sequenz aus, die genau komplementär zu der gewünschten DNA-Zielsequenz ist, woraufhin der Enzymkomplex die gewünschte Zielsequenz in der DNA findet und genau dort aufschneidet. Damit lässt sich an dieser Stelle eine beliebige gewünschte Gensequenz einbauen oder eine andere ersatzlos entfernen. Diese Methode lässt sich so bei nahezu allen Lebewesen zum schnellen und genauen Schneiden und Spleissen ihrer DNA einsetzen, bei Pflanzen, Tieren, Bakterien sowie zuletzt auch beim Menschen. Innerhalb von kürzester Zeit hat CRISPR die Biologie transformiert und ganz neue Wege zur Behandlung von Krankheiten eröffnet.

Nun ist in den letzten Monaten auch in der populären Presse sehr viel geschrieben worden zu CRISPR, oft verknüpft mit der Sorge, dass die Gentechnologie mit dieser Technologie einen mächtigen Hebel erhält, der ihre Möglichkeiten wie Probleme noch einmal enorm vergrössern wird, da es mit ihr sehr viel einfacher wird, Gene von Lebewesen zu verändern, modifizierte DNA in die Keimbahn von Lebenswesen einzubringen und damit deren Eigenschaften dauerhaft zu beeinflussen. Die internationalen Schlagzeilen bestimmte die neue Methode schliesslich im November 2018, als die Geburt der ersten mit CRISPR genmanipulierten Babys in China gemeldet wurde.

Was sich allerdings noch gar nicht auf dem Radarschirm der meisten Menschen befindet ist, dass die Möglichkeiten dieser neuen Gentechnologie noch bei weitem nicht ausgereizt zu sein scheinen. So ist im Februar 2019 im renommierten Wissenschaftsmagazin Nature ein Artikel erschienen, der einen neuen Enzymkomplex vorstellt, der sehr ähnlich wie Cas9 funktioniert, aber etwa 40% kleiner ist, (E. Nogales, J. Doudna et al., CasX enzymes comprise a distinct family of RNA-guided genome editors, Nature, 4 Februar). Geringere Grösse ist ein gewaltiger Vorteil, wenn man versucht, einen entsprechenden Gen-Editor in eine Zelle zu bringen. Und CasX, wie der neue Komplex getauft wurde, könnte sich gerade für den Einsatz beim Menschen als besonders mächtig herausstellen, da das menschliche Immunsystem es leichter akzeptieren sollte. So befürchten Ärzte, dass Cas9 bei Patienten, die mit CRISPR-Therapien behandelt werden, eine Immunreaktion auslösen kann. Bei CasX sollten solche Problem nicht auftreten, da die Bakterien, bei denen es entdeckt wurde, im menschlichen Körper nicht vorkommen.

Die Geningenieure sind längst auf den Zug aufgesprungen. „Wir wollen nicht nur die nächste molekulare Schere entdecken. Wir wollen das nächste Schweizer Taschenmesser bauen.“, sagt Jennifer Doudna, eine der Entdeckerinnen von Cas9 und Pionierin der CRISPR-Technologie, die auch massgeblich an der Entdeckung von CasX beteiligt war (und Co-Autorin der Nature-Studie ist). CasX könnte ein entscheidender Schritt hin zum sicheren Editieren des menschlichen Genoms sein. Ein kleiner, kaum beachteter Schritt in der Forschung könnte sich als gewaltiger Schritt für die Menschheit erweisen, und zwar in eine sehr unheimliche Richtung.



Unlike two years ago, today not many people are still associating the term „CRISPR“ with something like a muesli bar. Even though few people know that the term „clustered regularly interspaced short palindromic repeats“ is a technical term that at first described nothing more than certain sections of repeating DNA pieces in the genome of bacteria, it is no longer necessary to explain that it is also a powerful tool for editing genes. What a few years ago was a marginal area of bacteriophage research that attracted little attention beyond a small circle of highly specialized biologists has long since developed into one of the most important scientific and technological breakthroughs of this century so far with enormous revolutionary potential for applications in medicine and human genetics. And most recently the new genetic engineering tool has yet shown again that is still good for a few more surprises.

The discovery of CRISPR dates back to phage research in the 1980s. Phages are viruses that attack bacteria. Once infected with them, bacteria can integrate parts of the viral foreign DNA into their own DNA in the form of recurring short palindromes interrupted by other sequences (a palindrome is a sequence of characters that reads the same from the front as from the back, such as the name „Anna“). The name „CRISPR“ was suggested by phage researchers Francisco Mojica and Ruud Jansen in 2001, when they searched for some more interrupted palindromic repeats in gene sequences, as those that had already been discovered in numerous phages. The integrated DNA serves the bacteria for the purpose of recognition: As soon as a virus with this DNA attacks them again, the bacterial cells recognize its DNA and can thus develop strategies for protection. For this purpose, the CRISPR-DNA is joined by a further enzyme, a so-called „Cas“ („CRISPR-associated“) protein, which has the ability to cut open the recognized gene sequence and thus render the virus harmless. Mother Nature has developed an entire series of Cas proteins, with very different degrees of efficiency when it comes to cutting up the target gene string. A version known as „Cas9“ has proven to be particularly useful.

Around the year 2012, gene engineers recognized that beyond the bacterial world the composite CRISPR/Cas9 complex can also be used for the manipulation of genes (also known by the more harmless sounding name „editing“ genes), for which it functions like a Lego brick finder and scissors at the same time: You simply equip it with a sequence that is exactly complementary to the desired DNA target sequence, whereupon the enzyme complex finds the desired target sequence in the DNA and cuts it open exactly at this location. This makes it possible to insert any desired gene sequence or remove one without replacing it. This method can thus be used for the fast and precise cutting and splicing of DNA in almost all living organisms, in plants, animals, bacteria, as well as in humans. Within a very short time CRISPR has transformed biology and opened up entirely new ways of treating diseases.

In the last few months, a lot has been written about CRISPR in the popular press, often linked to the concern that this technology serves as on big leverage for gene technology with all its promises and problems, as it makes it much easier to modify genes of living beings, to introduce modified DNA into the germ line of living beings, and thus to influence their properties permanently. The international headline the new method ultimately filled in November 2018, when the birth of the first babies genetically manipulated with CRISPR was reported from China.

What is not yet on the radar screens of most people, however, is that the possibilities of this new genetic technology still seem to be far from exhausted. Thus, in February 2019, an article appeared in the renowned scientific journal Nature describing a new enzyme complex that functions very similarly to Cas9 but is about 40% smaller (E. Nogales, J. Doudna et al., CasX enzymes comprise a distinct family of RNA-guided genome editors, Nature, 4 February). Small size is a huge advantage when trying to bring a corresponding gene editor into a cell. And CasX, as the new complex was baptized, could prove to be particularly more powerful for the use in humans, as it is likely to be more easily accepted by the human immune system. Doctors fear that Cas9 could trigger an immune reaction in patients treated with CRISPR therapies. Such a problem should not occur with CasX, because the bacteria in which it was discovered do not befall the human body.

Genetic engineers have long since jumped on the bandwagon. „We aren’t just looking to uncover the next pair of molecular scissors. We want to build the next Swiss Army knife,“ says Jennifer Doudna, one of the discoverers of Cas9 and pioneer of the CRISPR technology, who was also instrumental in the discovery of CasX (and is a co-author of the Nature study). CasX could be the decisive step towards safely editing the human genome. A small, barely noticed step in research could prove to be a huge step for mankind along a scary path.

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