Auslöschung ganzer Spezies – Was mit Gene Drive und CRISPR möglich wird

Die genetische Veränderung nicht nur der Eigenschaften von Individuen, sondern die dauerhafte genetische Manipulation ganzer Populationen ist einer der grössten Träume -oder je nach Lesart Albträume – der Genforscher. Die Auswirkungen wären enorm: So könnten beispielsweise Insekten wie Tsetsefliegen oder Moskitos über ihre gesamte Spezies hinweg so verändert werden, dass sie gegen die beim Menschen krankheitsauslösenden Parasiten immun sind und diese somit nicht mehr übertragen können.

Lassen sich die Gene einzelner Lebewesen heute mit Hilfe verschiedener Methoden verhältnismässig leicht verändern, so existierte lange eine fundamentale Barriere, bestimmte Gene gezielt in einer gesamten Population durchzusetzen. Denn nach der klassischen Genetik wird bei (sich sexuell vermehrenden) Lebewesen mal das Merkmal der Mutter, mal das vom Vater, manchmal sogar das eines Grosselternteils vererbt. Es ist also reine Glückssache, ob sich eine gewünschte Mutation – ob zufällig entstanden oder mit Absicht erzeugt – auf die nächste Generation überträgt oder nicht. Um die Schlafkrankheit beim Menschen einzudämmen reicht es also nicht, ein paar genmanipulierte Tsetse-Fliegen, die immun gegen die Erreger sind, in der Nähe von Siedlungen freizusetzen. Es bräuchte eine sehr, sehr grosse Zahl an Insekten, um eine ganze (wilde) Population weniger gefährlich zu machen. Das ist in der Praxis zumeist unmöglich.

Seit 15 Jahren kennen die Wissenschaftler allerdings eine Art Turbo für die Vererbung veränderter Gene, sodass diese mit grösserer Wahrscheinlichkeit als üblich an die Nachkommen weitergegeben werden. Die Biologen sprechen von „Gene Drive“ („genetischer Antrieb“). Gene Drive kommt auch in der Natur vor, wenn bestimmte Gene molekulare Mechanismen nutzen, um dem Zufall auf die Sprünge zu helfen und höhere Transmissionsraten zu erzielen. Allerdings geschieht dies unkontrolliert und zu unbestimmten Zeitpunkten. Im Jahr 2003 entwickelte der Biochemiker Austin Burt die Idee, diesen Vererbungsturbo künstlich herzustellen. Das Ziel ist, den natürlichen Wert der erblichen Übertragung von veränderten Genen von ca. 50 Prozent näher an 100 Prozent zu bringen.

Bis vor ca. fünf Jahren waren die Anwendungen des Gene Drives jedoch sehr limitiert, da die genetischen Matrizen für das Aufspalten der DNA an der gewünschten Stelle (die so genannten Endonukleasen) der gewünschten Sequenz auf der DNA entsprechen müssen. Diese Flexibilität hatte man mit den verfügbaren Endonukleasen nicht. Mit der Entdeckung des Geneditierverfahrens CRISPR im Jahr 2012 änderte sich dies schlagartig. „CRISPR“ steht für „clustered regularly interspaced short palindromic repeats“ und beschreibt bestimmte Abschnitte sich wiederholender DNA-Stücke im Erbgut von Bakterien. Zu diesen DNA-Stücken wird die Endonuklease „Cas9“ hinzugefügt (es gibt auch noch zahlreiche weitere ähnliche Mechanismen mit anderen Enzymen). Der zusammengesetzte Komplex aus beiden ist für die Gentechniker besonders interessant, weil er wie Legobaustein-Finder und Schere zugleich funktioniert: Die Geningenieure bestücken den CRISPR/Cas9-Enzymkomplex mit einer Sequenz, die genau komplementär zu der gewünschten DNA-Zielsequenz ist. Dieser Gesamt-Komplex findet dann die gewünschte Zielsequenz in der DNA und schneidet diese genau dort auf. Damit ist für jede Stelle an der DNA eine geeignete Endonuklease gefunden, womit sich an jeder beliebigen Stelle eine neue Gensequenz einbauen oder eine alte ersatzlos entfernen lässt.

Mit CRISPR eröffnet sich damit ein Weg, einen Gene Drive-Mechanismus zu installieren, so dass mit nur einigen Dutzend oder ein paar hundert manipulierten und dann freigelassenen Tieren eine gewünschte genetische Änderung in eine ganze Population eingebracht werden kann. Dazu werden in der DNA der Spermien oder Eizellen nicht nur gezielt Genabschnitte verändert, sondern der passende CRISPR/Cas9-Komplex gleich mit in das Genom eingebaut. Sobald eine Befruchtung stattgefunden hat und sich die beiden haploiden homologen Chromosomenstränge (das manipulierte und das „wilde“) aneinanderfügen, zerschneidet CRISPR/Cas9 an der entsprechendem Stelle in der DNA der Wildform. Intakt übrig bleibt der genetisch modifizierte Strang, der nun als Vorlage für den zerschnittenen DNA-Strang dient: Um die entstandene Lücke zu füllen, kopiert der Reparaturmechanismus der Zelle einfach das manipulierte Gen mitsamt der CRISPR/Cas9 Sequenz auf das zerschnittene Chromosom. Damit tragen nun beide Chromosomenstränge die genetische Veränderung. Wie bei einem Schneeballsystem wird diese dann bei jeder neuen Generation dupliziert und an alle Nachkommen weitergegeben. Jedes Mal, wenn eine andere Genvariante bei der Befruchtung dazukommt, wird sie entfernt und durch die Kopie des veränderten Gens ersetzt. CISPR/Cas9 gibt den Biotechnologen also das entscheidende Werkzeugt, um mit Gene-Drives ganze Populationen schnell und dauerhaft zu verändern.

Die möglichen Anwendungen sind unbeschreiblich aufregend. Für jedes Problem liesse sich eine massgeschneiderte Gene-Drive-Lösung basteln, die Erreger unschädlich werden lässt oder Pflanzen dauerhaft gewisse Eigenschaften verleiht. Wissenschaftler sprechen schon von „sculpting evolution“, also von der „Formung der Evolution“. Bei der Ausrottung von Krankheiten, die durch Insekten übertragen werden, wie Malaria oder des Dengue- oder Zika-Virus, wäre diese Technik sehr hilfreich und würde wohl von vielen begrüsst.

Und tatsächlich: Vor wenigen Tagen publizierten Wissenschaftler vom Imperial College in London einen Gene Drive, der eine ganze Population vom Mücken in nur wenigen Generationen aussterben liess (A. Crisanti et al., A CrisPr–Cas9 gene drive targeting doublesex causes complete population suppression in caged Anopheles gambiae mosquitoes, Nature Biotechnolgy, 24 Sept 2018). Das vom Team um Andrea Crisanti eingeführte Gen zielte auf die Geschlechtsbestimmung ab. Im Wesentlichen verhinderten sie, dass weibliche Nachkommen produziert werden. Die Population, mit der hier experimentiert wurde, befand sich noch in einem abgeschlossenen Raum. Doch einmal in die freie Wildbahn freigelassen, könnte die neue Methode die Malaria ausrotten, in dem sie einfach ihren Überträger, die Stechmücke Anopheles eliminiert. Jedes Jahr sterben eine Millionen Menschen an dieser Krankheit. Entsprechend erfreut sind Tropenmediziner und Biologen über diesen Erfolg.

Aufgrund ihrer enormen Potenz ist die neue CRISPR-Gen-Drive-Methode allerdings auch hochgradig problematisch: Wie kontrollieren wir die veränderten Gene? Mutieren sie weiter? Des Weiteren ist belegt, dass unterschiedliche Arten Gene miteinander austauschen können. Was geschieht, wenn ein Gen auf eine andere Art übertragen wird und dort plötzlich ganz andere, unerwünschte Eigenschaften hervorruft? Was bedeutet es für uns, wenn sich ganze Ökosysteme schlagartig verändern? Eine Technologie, die ganze Spezies gezielt ausrotten kann, wirft ethische Fragen auf, deren Tragweite Wissenschaftler und politische Entscheidungsträger erst beginnen zu verstehen. Hier das Leben von Millionen von Menschen, die vor dem Hungertod und vor Krankheiten wie Malaria gerettet werden, dort die Existenz von ein paar missliebigen Tier- und Pflanzenarten sowie das Risiko einer unerwarteten ökologischen Revolution – wie sollen wir das gegeneinander aufwiegen? Und was bei Krankheiten, die durch Insekten übertragen werden, aufregend klingt, wird schnell unheimlich, wenn man diese Möglichkeit auf höher entwickelte Lebewesen oder gar den Menschen überträgt.