Genomchirurgie

Präzise und einfache Möglichkeiten, menschliche Gene umzuschreiben, könnten endlich die Werkzeuge bereitstellen, die Forscher benötigen, um einige unserer tödlichsten genetischen Krankheiten zu verstehen und zu heilen.11. Februar 2014

Da die DNA-Sequenzierungstechnologie im letzten Jahrzehnt immer schneller und billiger geworden ist, hat sich unser Verständnis des menschlichen Genoms entsprechend erweitert. Doch Wissenschaftler blieben bis vor Kurzem weitgehend unbeholfen, wenn sie versuchten, Gene in einer lebenden Zelle direkt zu verändern. Nehmen Sie zum Beispiel die Sichelzellenanämie. Diese schwächende und oft tödliche Krankheit wird durch eine Mutation in nur einem der drei Milliarden DNA-Basenpaare eines Patienten verursacht. Obwohl dieser genetische Fehler einfach und gut untersucht ist, sind Forscher hilflos, ihn zu korrigieren und seine verheerenden Auswirkungen zu stoppen.

Jetzt gibt es Hoffnung in Form neuer Genom-Engineering-Tools, insbesondere eines namens CRISPR. Diese Technologie könnte es Forschern ermöglichen, Mikrochirurgie an Genen durchzuführen, indem sie eine DNA-Sequenz an genauen Stellen auf einem Chromosom präzise und einfach ändern. Zusammen mit einer Technik namens TALENs, die vor einigen Jahren erfunden wurde, und einem etwas älteren Vorgänger, der auf Molekülen namens Zinkfinger-Nukleasen basiert, könnte CRISPR Gentherapien breiter anwendbar machen und Heilmittel für einfache genetische Erkrankungen wie Sichelzellenanämie bereitstellen und schließlich sogar zu Heilmittel für komplexere Krankheiten, an denen mehrere Gene beteiligt sind. Die meisten herkömmlichen Gentherapien platzieren neues genetisches Material grob an einer zufälligen Stelle in der Zelle und können nur ein Gen hinzufügen. Im Gegensatz dazu bieten CRISPR und die anderen neuen Tools Wissenschaftlern auch eine präzise Möglichkeit, bestimmte DNA-Stücke zu löschen und zu bearbeiten – sogar durch Ändern eines einzelnen Basenpaars. Das bedeutet, dass sie das menschliche Genom nach Belieben umschreiben können.



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Diese Geschichte war Teil unserer März-Ausgabe 2014

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Es wird wahrscheinlich mindestens mehrere Jahre dauern, bis solche Bemühungen zu Humantherapeutika weiterentwickelt werden können, aber eine wachsende Zahl akademischer Forscher hat mit Experimenten zu Sichelzellenanämie, HIV und Mukoviszidose erste Erfolge erzielt (siehe Tabelle unten). Einer davon ist Gang Bao, ein Bioingenieur-Forscher am Georgia Institute of Technology, der bereits CRISPR verwendet hat, um die Sichelzellen-Mutation in menschlichen Zellen, die in einer Schale gezüchtet wurden, zu korrigieren. Bao und sein Team begannen 2008 mit der Arbeit mit Zinkfingernukleasen. Als TALENs herauskam, wechselte seine Gruppe schnell, sagt Bao, und begann dann, CRISPR zu verwenden, als dieses Tool verfügbar wurde. Während er Ambitionen hat, irgendwann an einer Vielzahl von Krankheiten zu arbeiten, sagt Bao, dass es sinnvoll ist, mit Sichelzellenanämie zu beginnen. Wenn wir eine Krankheit auswählen, die wir mit Genome Editing behandeln möchten, sollten wir mit etwas relativ Einfachem beginnen, sagt er. Eine Krankheit, die durch eine einzelne Mutation in einem einzelnen Gen verursacht wird, an der nur ein einziger Zelltyp beteiligt ist.

Bao hat eine Vorstellung davon, wie eine solche Behandlung funktionieren würde. Derzeit können Ärzte einen kleinen Prozentsatz von Sichelzellpatienten heilen, indem sie einen menschlichen Spender finden, dessen Knochenmark immunologisch übereinstimmt; Chirurgen können dann einen Teil der Knochenmarkstammzellen des Patienten durch gespendete ersetzen. Aber solche Spender müssen genau auf den Patienten abgestimmt sein, und selbst dann birgt die Immunabstoßung – ein potenziell tödliches Problem – ein ernsthaftes Risiko. Baos Heilung würde all dies vermeiden. Nach der Gewinnung von Blutzellvorläufern, die als hämatopoetische Stammzellen bezeichnet werden, aus dem Knochenmark eines Sichelzellpatienten würden Wissenschaftler CRISPR verwenden, um das defekte Gen zu korrigieren. Dann würden die genkorrigierten Stammzellen dem Patienten zurückgegeben, wodurch gesunde rote Blutkörperchen produziert würden, um die Sichelzellen zu ersetzen. Selbst wenn wir 50 Prozent ersetzen können, wird sich ein Patient viel besser fühlen, sagt Bao. Wenn wir 70 Prozent ersetzen, ist der Patient geheilt.

Obwohl Genome Editing mit CRISPR erst etwas mehr als ein Jahr alt ist, erfindet es die Genforschung bereits neu. Insbesondere gibt es Wissenschaftlern die Möglichkeit, schnell und gleichzeitig mehrere genetische Veränderungen an einer Zelle vorzunehmen. Viele menschliche Krankheiten, darunter Herzkrankheiten, Diabetes und verschiedene neurologische Erkrankungen, werden von zahlreichen Varianten sowohl in Krankheitsgenen als auch in normalen Genen beeinflusst. Diese Komplexität mit Tiermodellen herauszukitzeln war ein langsamer und mühsamer Prozess. Für viele Fragen in der Biologie wollen wir wissen, wie verschiedene Gene interagieren, und dafür müssen wir Mutationen in mehreren Genen einführen, sagt Rudolf Jaenisch, Biologe am Whitehead Institute in Cambridge, Massachusetts. Aber, sagt Jaenisch, es kann bis zu einem Jahr dauern, eine Maus mit einer einzigen Mutation mit herkömmlichen Werkzeugen zu erstellen. Wenn ein Wissenschaftler ein Tier mit mehreren Mutationen haben möchte, müssen die genetischen Veränderungen nacheinander vorgenommen werden, und der Zeitrahmen für ein Experiment kann sich über Jahre erstrecken. Im Gegensatz dazu berichteten Jaenisch und seine Kollegen, darunter der MIT-Forscher Feng Zhang (ein 2013 Mitglied unserer Liste der 35 Innovatoren unter 35 ), im vergangenen Frühjahr, dass CRISPR ihnen ermöglicht hatte, innerhalb von drei Wochen einen Mäusestamm mit mehreren Mutationen zu erzeugen.

wie man einen Supraleiter herstellt

Da ein CRISPR-System leicht so konstruiert werden kann, dass es auf jedes spezifische Gen abzielt, ermöglicht die Technologie Forschern, Experimente durchzuführen, bei denen eine große Anzahl von Genen untersucht wird. Im Dezember erstellten Teams unter der Leitung von Zhang und dem MIT-Forscher Eric Lander Bibliotheken von CRISPRs, von denen jede auf ein anderes menschliches Gen abzielt. Diese riesigen Sammlungen, die fast alle menschlichen Gene ausmachen, wurden anderen Forschern zur Verfügung gestellt. Die Bibliotheken versprechen, genomweite Studien zur Genetik von Krebs und vielen anderen menschlichen Krankheiten zu beschleunigen.

Genom-GPS

Die Biotechnologie-Industrie wurde 1973 geboren, als Herbert Boyer und Stanley Cohen fremde DNA, die sie im Labor manipuliert hatten, in Bakterien einführten. Innerhalb weniger Jahre war Boyer Mitbegründer von Genentech, und das Unternehmen begann mit der Nutzung von E coli mit einem menschlichen Gen modifiziert, um Insulin für Diabetiker herzustellen. 1974, Jaenisch , dann am Salk Institute for Biological Studies in San Diego, die erste transgene Maus, indem sie Viren verwendet, um das Genom des Tieres mit etwas DNA einer anderen Spezies zu versehen. Bei diesen und anderen frühen Beispielen der Gentechnik beschränkten sich die Forscher jedoch auf Techniken, bei denen die fremde DNA zufällig in die Zelle eingeschleust wurde. Sie konnten nur das Beste hoffen.

Es dauerte mehr als zwei Jahrzehnte, bis Molekularbiologen in der Lage waren, bestimmte Gene in tierischen Genomen effizient zu verändern. Dana Carroll von der University of Utah erkannte, dass Zinkfinger-Nukleasen, konstruierte Proteine, über die 1996 von Kollegen der Johns Hopkins University berichtet wurde, als programmierbares Gen-Targeting-Tool verwendet werden könnten. Ein Ende des Proteins kann so gestaltet sein, dass es eine bestimmte DNA-Sequenz erkennt; das andere Ende schneidet DNA. Wenn eine Zelle diese Schnitte dann auf natürliche Weise repariert, kann sie ihr Genom patchen, indem sie von der mitgelieferten fremden DNA kopiert. Obwohl die Technologie es Wissenschaftlern endlich ermöglichte, selbstbewusst Änderungen an den gewünschten Stellen auf einem Chromosom vorzunehmen, ist sie jedoch schwierig zu verwenden. Für jede Modifikation muss der Forscher ein neues Protein entwickeln, das auf die gewünschte Sequenz zugeschnitten ist – eine schwierige, zeitaufwändige Aufgabe, die aufgrund der Kniffigkeit der Proteine ​​nicht immer funktioniert.

TALENs, ein weiterer bedeutender Fortschritt in der Gen-Editierung, kam 2010 auf den Markt. TALENs sind auch Proteine, die eine gewünschte DNA-Sequenz finden und schneiden – aber sie auf neue Genziele zuzuschneiden ist viel einfacher. Obwohl sie gegenüber Zinkfingern eine große Verbesserung darstellten, sind TALENs große Proteine, deren Verarbeitung und Abgabe in die Zellen umständlich sind.

CRISPR hat alles verändert. Es ersetzt die auf die DNA gerichteten Proteine ​​durch ein kurzes Stück RNA, das sich auf den gewünschten Genen befindet. Im Gegensatz zu den komplexen Proteinen kann RNA – die fast dieselbe einfache Struktur wie DNA hat – routinemäßig im Labor hergestellt werden; ein Techniker kann schnell die etwa 20 Buchstaben langen Sequenzen synthetisieren, die die Methode erfordert. Das System macht es medizinischen Forschern leicht, ein Genom zu modifizieren, indem DNA ersetzt, gelöscht oder hinzugefügt wird.

In etwas mehr als einem Jahr hat CRISPR damit begonnen, die Genforschung neu zu erfinden.

CRISPR steht für Clustered Regular Interspaced Short palindromic repeats – Cluster von kurzen DNA-Sequenzen, die sich ähnlich vorwärts und rückwärts lesen, die in vielen Bakterienarten vorkommen. Wissenschaftler haben die rätselhaften DNA-Abschnitte erstmals in den 1980er Jahren beobachtet, aber fast zwei Jahrzehnte lang nicht verstanden, dass sie Teil eines bakteriellen Abwehrsystems sind. Wenn ein Virus angreift, können Bakterien virale DNA-Sequenzen in ihr eigenes genetisches Material einbauen und sie zwischen den sich wiederholenden Segmenten einschließen. Wenn die Bakterien das nächste Mal auf dieses Virus stoßen, verwenden sie die DNA in diesen Clustern, um RNAs herzustellen, die die passenden Virussequenzen erkennen. Ein an eine dieser RNAs angehängtes Protein zerschneidet dann die virale DNA.

2012 Emmanuelle Charpentier, medizinische Mikrobiologin, die am Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung Krankheitserreger erforscht, und Jennifer Doudna , ein Mitarbeiter an der University of California, Berkeley, zeigte, dass sie eine einzelne RNA in Verbindung mit dem schneidenden Protein, einem Enzym namens Cas9, verwenden können, um jede gewünschte DNA-Sequenz in Reagenzgläsern zu schneiden. Ob die Methode in tierischen Zellen funktionieren würde, war noch ungewiss, doch im Januar 2013 gelang ihr ein dramatischer Durchbruch. Zhang und George Church, ein Genetiker der Harvard Medical School, berichteten separat, dass das CRISPR/Cas9-System zur Gen-Editierung in Zellen von Tieren, einschließlich des Menschen, verwendet werden könnte.

Nun muss ein Forscher, der ein neues Gen aufspüren will, nur das Cas9-Protein und ein bisschen RNA synthetisieren, das zu den Sequenzen der Zielregion passt. Die RNA führt das Enzym dann zu der DNA, die der Forscher schneiden möchte. Und da unabhängig vom Ziel das gleiche schneidende Protein verwendet wird, können Forscher Experimente entwerfen, bei denen sie mehrere Gene in einem Organismus gleichzeitig mit Cas9 und mehreren RNA-Leitfäden verändern. Es bietet das Potenzial, Experimente durchzuführen, die in der Vergangenheit sehr schwierig oder praktisch nicht möglich waren, sagt Doudna.

Gehirn-Maschine-Schnittstelle Elon Musk

Komplexe Geheimnisse

Zhang vom MIT, der Mitglied des Broad Institute und des McGovern Institute for Brain Research ist, interessiert sich für die Genetik von psychischen Erkrankungen. Um zu versuchen, diese komplexen Zustände zu verstehen, hat Zhang geholfen, mehrere gen- und neuronenmodifizierende Werkzeuge zu entwickeln, darunter TALENs und Optogenetik, eine Technik, bei der die Neuronenaktivität mit Laserlicht gesteuert wird. Als er 2011 zum ersten Mal von CRISPR hörte, begann er damit, es für den Einsatz in menschlichen Zellen zu entwickeln. Jetzt verwendet er CRISPR, um die genetischen Geheimnisse hinter so verheerenden und wenig verstandenen Erkrankungen wie Schizophrenie und Autismus zu enthüllen.

Das Tool ermöglicht es Zhang, systematisch einige der DNA-Varianten zu testen, die mit den Krankheiten in Verbindung gebracht wurden. Während in den letzten zehn Jahren bei der Identifizierung von Genen, die bei Menschen mit diesen Erkrankungen häufig vorkommen, große Fortschritte erzielt wurden, ist es eine gewaltige Herausforderung zu verstehen, wie diese Gene mit den Symptomen zusammenhängen. Was man bei der Sequenzierung lerne, sei nur eine Beobachtung, sagt Zhang: Um zu verstehen, ob ein vermutetes Gen tatsächlich die Krankheit verursacht, muss man die spezifische Mutation in gesunde Zellen oder Organismen einbringen und schauen, was schief geht. Wenn die mutierte Zelle oder der mutierte Organismus Merkmale aufweist, die die menschliche Krankheit nachahmen, ist dies ein Beweis dafür, dass das Gen impliziert wird.

Zhang kann sowohl in Labormäusen als auch in kultivierten menschlichen Zellen genetische Varianten nachbilden, die bei Menschen mit Autismus und Schizophrenie gefunden werden. Sie können einem Versuchstier eine menschliche Mutation in das entsprechende Gen stecken und dann sehen: Wird das Tier weniger sozial oder hat es ein Lerndefizit? er sagt. Dann, fügt er hinzu, kann man Unterschiede im Verhalten und in der Physiologie von im Labor gezüchteten Neuronen untersuchen, die aus Stammzellen gezüchtet wurden, die mit derselben Mutation modifiziert wurden. Bei Einzelgenmutationen werden wir beginnen, Aspekte der biologischen Funktion zu sehen, die bei Autismus eine Rolle spielen, sagt er.

Zhang verwendet CRISPR auch, um mehrere genetische Veränderungen gleichzeitig vorzunehmen. Das wird besonders bei komplexen Erkrankungen wie Autismus und Schizophrenie wichtig, die meist nicht durch die Art der einzelnen DNA-Veränderung der Sichelzellenanämie verursacht werden. Unterschiedliche Patienten sind von unterschiedlichen Mutationen betroffen. Um ein Puzzle von solch immenser Komplexität zu lösen, sind umfangreiche, systematische Studien über die Auswirkungen verschiedener Gene und deren Interaktion erforderlich. CRISPR macht solche Studien möglich, sagt Zhang, und wird wichtig sein, um Behandlungen für eine Vielzahl komplexer Krankheiten zu finden. Wir werden mehr über Signalwege und Krankheitsmechanismen verstehen, sagt er. Dieses Wissen wird in alle Arten der Arzneimittelentwicklung einfließen.

Designer-Babys

Ende letzten Jahres gründeten Doudna, Zhang, Church und zwei weitere Pioniere der Genom-Editierung ein Startup, das neuartige Behandlungsmethoden für humangenetische Krankheiten entwickeln wird. Im November hat das Unternehmen Medikamente ausgegeben , gab bekannt, dass es Risikokapital in Höhe von 43 Millionen US-Dollar aufgebracht hat und plant, Genom-Editing-Technologien gegen eine Vielzahl von Krankheiten einzusetzen.

Die Einführung von Editas dürfte dank jahrelanger technologischer Verbesserungen, einschließlich sichererer Behandlungsmechanismen, von einem Wiederaufleben des Interesses an der Gentherapie profitieren. Die Landschaft habe sich für die Gentherapie verändert, sagt Church. (In den Vereinigten Staaten sind noch keine Gentherapien zugelassen, obwohl sich einige in Studien am Menschen befinden.) Aber er sagt, die Therapien, die Editas entwickeln wird, werden sich grundlegend von den älteren Ansätzen unterscheiden, bei denen ein Virus ein Gen in Zellen einfügt.

Vielleicht könnten Wissenschaftler normale Gene umschreiben, damit Menschen Infektionen besser bekämpfen können.

Eine Änderung oder Löschung ist für die meisten dieser einfachen viralen Methoden außerhalb der Reichweite, sagt Church. Und das Löschen eines Teils der DNA, anstatt ein Gen hinzuzufügen, kann tatsächlich der Schlüssel zur Behandlung vieler Krankheiten sein. Nehmen Sie die Huntington-Krankheit. Die tödliche Erkrankung des Gehirns entsteht durch die Ansammlung eines toxischen Proteins in Neuronen. Das Hinzufügen einer gesunden Kopie des Gens zur Zelle würde die giftige Aktivität dieses Proteins nicht beeinträchtigen: Die ursprüngliche dysfunktionale Version muss neu geschrieben werden. Mit den neuen Genome-Editing-Tools, sagt Church, könnte es möglich sein, die defekte DNA neu zu schreiben: Sie sind nicht darauf beschränkt, etwas Fehlendes wieder hinzuzufügen. Und, fügt er hinzu, wenn man anfängt zu erkennen, dass die gängigsten Versionen von Genen nicht unbedingt die idealen Versionen sind, dann wird einem klar, dass dies ein viel größeres Gebiet ist. Vielleicht könnten Wissenschaftler normale Gene umschreiben, damit Menschen Infektionskrankheiten besser bekämpfen können. Sie könnten sogar in der Lage sein, die molekularen Wege des Alterns zu verändern.

Church prognostiziert auch, dass einige Wissenschaftler versucht sein werden, wenn Genome Editing zur Heilung von Kinderkrankheiten verwendet wird, um Embryonen während der In-vitro-Fertilisation zu manipulieren. Forscher haben bereits gezeigt, dass Genome Editing DNA-Sequenzen in Ratten- und Mausembryonen umschreiben kann, und Ende Januar berichteten Forscher in China, dass sie mit CRISPR gentechnisch veränderte Affen erschaffen haben. Mit solchen Techniken kann das Genom einer Person vor der Geburt bearbeitet werden – oder, wenn Änderungen an den Eizellen oder spermienproduzierenden Zellen eines zukünftigen Elternteils vorgenommen wurden, sogar vor der Empfängnis.

Bewusstseinswissenschaft versteckt gehalten

Diese Möglichkeiten werfen ethische Fragen auf. Aber wenn Forscher beweisen, dass sie Krankheiten sicher korrigieren können, indem sie das Genom bearbeiten, ist es unvermeidlich, dass einige Eltern auch das Genom gesunder Embryonen verändern wollen. Wenn man mit Gentherapie einer geistigen Behinderung vorbeugen kann, vorausgesetzt, dass dies zulässig ist, dann wird ein ganzes Spektrum intellektueller Herausforderungen diskutiert, sagt Church.

Solche Diskussionen werden sich wahrscheinlich mit der zunehmenden Verbreitung von CRISPR verschärfen. Im Moment entwickelt sich die Technologie jedoch noch weiter: Während Forscher wie Bao, Church und Zhang letztendlich hoffen, einige unserer hartnäckigsten Krankheiten heilen zu können, verbringen sie einen Großteil ihrer Zeit damit, das Werkzeug zu verfeinern und seine Möglichkeiten zu erkunden. Aber schon in diesen frühen Tagen hat CRISPR die Denkweise dieser Forscher über die Manipulation des Genoms verändert. Sie sind nicht mehr ham-fisted.

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