Verschreibungspflichtige RNA

Es ist Champagner für alle. Phil Zamore lässt den Korken aus einer Flasche Montaudon knallen und durchnässt den brandneuen Teppich. Jeder in seinem Labor füllt ein Glas, um auf den Chef anzustoßen. Unerwartete gute Nachrichten, erklärt er. Zamore, Biochemiker an der Medical School der University of Massachusetts in Worcester, hat gerade eine nationale Auszeichnung im Wert von 1 Million US-Dollar über fünf Jahre erhalten. Das Budget des Labors hat sich gerade verdreifacht.

Zamore ist verständlicherweise schwindlig, und es geht nicht nur ums Geld. Zamores Feld, RNA-Interferenz oder RNAi, ist erst wenige Jahre alt, aber es hat die Welt der Biologie im Sturm erobert. RNAi ist die aufregendste Erkenntnis in der Biologie in den letzten ein oder zwei Jahrzehnten, sagt Nobelpreisträger Phillip Sharp, Biologe am MIT. Und Zamores Labor ist eines der wenigen, das das Feld in schwindelerregender Geschwindigkeit voranbringt. Ich denke, jeder, der in diesem Bereich arbeitet, fühlt sich von den Fortschritten etwas atemlos, sagt Zamore.

Immobots übernehmen die Kontrolle

Diese Geschichte war Teil unserer Dezember-Ausgabe 2002



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Die Aufregung, die Zamore, Sharp und andere Forscher teilen, ist begründet. Jahrzehntelang dachten Forscher, RNA sei nur der Bote der DNA, der sklavisch die Protein-Baupläne der DNA liefert. Aber es scheint jetzt, dass winzige RNA-Doppelstränge, die in im Labor gezüchtete Zellen oder Tiere eingeführt werden, jedes beliebige Gen schnell und effizient ausschalten können.

Die Implikationen sind atemberaubend, denn lebende Organismen werden weitgehend durch das exquisit orchestrierte Ein- und Ausschalten von Genen bestimmt. Biologen konnten diesen Schaltvorgang bisher nur langsam, schwerfällig und indirekt nachahmen. Aber die Leichtigkeit, mit der RNAi Gene ausschalten kann, sagen Forscher, scheint fast mystisch. Labortechniken mit RNAi sind bereits die Methoden der Wahl von Biologen, um die Funktionen bestimmter Gene zu entdecken. Und es verspricht einen neuen Weg, Krankheiten direkt zu behandeln, indem Schlüsselgene abgeschaltet werden, die an verschiedenen Krankheiten beteiligt sind. Mindestens acht Unternehmen – darunter eines, das von Zamore, Sharp und Kollegen gegründet wurde – arbeiten bereits an RNAi-Therapien für alles, von Viruserkrankungen bis hin zu Krebs.

Der Heilige Gral sei, all dies zu Medikamenten zu entwickeln, sagt Zamore. In der Lage zu sein, Ihnen eine kleine störende RNA zu geben, die die Expression Ihres Gens mit hohem Cholesterinspiegel unterbindet. Das würde das Niveau der Hepatitis C senken, die Ihre Leber infiziert. Oder vielleicht, denke ich, in der vielleicht größten Pie-in-the-Sky-Anwendung, die auf ein für Tumorzellen spezifisches Gen schärfen und den Tumor abtöten würde.

Wie schnell dies passieren könnte, ist eine Vermutung. Auf der Jahrestagung der RNA Society in Banff, Alberta, im Mai 2001 brach die RNA-Interferenz in das Bewusstsein der Wissenschaftswelt ein. Dort sprach Sayda Elbashir, Postdoc im Labor des Biochemikers Thomas Tuschl am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen, Deutschland, verblüffte seine Zuhörer mit der Nachricht, dass winzige doppelsträngige RNA-Fragmente schnell und einfach Gene in menschlichen Zellen abschalten, eine Rolle, die Forscher noch nie zuvor gesehen hatten RNA.

Die meisten Zuschauer saßen nur da und sagten sich: Die Wissenschaft hat sich gerade verändert“, erinnert sich David Engelke, Biochemiker von der University of Michigan. Das einzige, was ein Pandämonium verhinderte, war, dass uns so etwas schon früher versprochen worden war. Skeptisch wartete Engelke einige Monate. Dann trudelten diese Berichte ein: Gee, das funktioniert wirklich!“

Die RNA-Überraschung

Bis vor kurzem wurde der RNA von Biologen die eher unglamouröse Rolle zugeschrieben, die eines passiven Botenstoffs war, der genetische Informationen von der DNA an die Proteinmaschinerie der Zelle übermittelt. Dabei wird der DNA-Code eines Gens in eine RNA-Kopie transkribiert, die die Zellmaschinerie in ein Protein übersetzt. Bei der RNA-Interferenz blockieren kurze RNA-Stücke den Prozess, indem sie die Nachricht unterwegs zerstören. Die doppelsträngigen RNA-Fragmente führen schneidende Enzyme zu der RNA, die die genetische Botschaft trägt. Die Boten-RNA wird dann zerhackt und zur Zerstörung markiert: Die Botschaft des Gens wird effektiv zum Schweigen gebracht.

Biologen wissen seit Jahren, dass einzelsträngige RNA-Moleküle, die sich mit einer Boten-RNA paaren, die Proteinproduktion stoppen könnten, aber dieser künstliche Prozess ist selbst im Labor unzuverlässig. Die Natur reguliert Gene jedoch mithilfe von RNA, insbesondere doppelsträngigen Molekülen.

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Die ersten Hinweise auf das Phänomen tauchten bereits 1990 auf, aber damals verbanden die Forscher das Beobachtete nicht mit RNA. In diesem Jahr versuchte der Pflanzenbiologe Rich Jorgensen, damals bei DNA Plant Technology in Oakland, Kalifornien, lila Petunien einen tieferen Purpurton zu verleihen. Er fügte eine neue, aufgeladene Kopie des Gens ein, das die Produktion von violettem Pigment steuert. Zu seiner Überraschung bekam er weiße Petunien. Jorgensen erkannte die Bedeutung dieses paradoxen Effekts, konnte jedoch nicht erklären, warum das Hinzufügen eines weiteren Gens dieses Gen ausgeschaltet hatte.

Der nächste Hinweis kam 1995, als Genetiker der Cornell University ein Gen in dem mikroskopisch kleinen Bodenwurm klonten C. elegans . Um ihre Entdeckung zu überprüfen, verwendeten sie eine Standard-Labormethode, um das Gen auszuschalten: Sie fügten einen einzelnen RNA-Strang hinzu, der der Boten-RNA entsprach. Dieser komplementäre Strang bindet an den Botenstoff und verhindert, dass er in ein Protein übersetzt wird. Unerwarteterweise schaltete auch ein nicht komplementärer RNA-Einzelstrang, den sie als experimentelle Kontrolle verwendeten und der nichts hätte tun sollen, das Gen aus.

1998 lösten der Biochemiker Andrew Fire von der Carnegie Institution of Washington und der Genetiker Craig Mello von der Medical School der University of Massachusetts das Rätsel. Injizierte komplementäre RNA-Einzelstränge in Würmer, erzielten sie eine erstaunlich starke dämpfende Wirkung, wenn die beiden Stränge kombiniert wurden. Nachdem sie gezeigt hatten, dass doppelsträngige RNA das eigentliche Stummschaltungsmittel ist, prägten Fire und Mello den Begriff RNA-Interferenz, und ein neues Feld war geboren. Im Nachhinein lieferten Jorgensens aufgeladene Purpur-Gene doppelsträngige RNAs, die die gleiche Wirkung auf die nativen Purpur-Gene hatten und sie im Wesentlichen ausschalteten.

Die doppelsträngige RNA schien ein stabileres und zuverlässigeres Mittel zum Abschalten bestimmter Gene zu bieten als die Einzelstränge, und Labore, die Organismen wie Pflanzen, Würmer und Fliegen untersuchten, nahmen die neue Methode eifrig an. RNA-Interferenz funktionierte bei Säugetieren jedoch nicht: Das Immunsystem zerstört Zellen, die doppelsträngige RNA enthalten, um sich gegen RNA-Viren zu verteidigen, die Hepatitis A und C verursachen. Dann kam Tuschls und Elbashirs Enthüllung in Banff, dass sehr kurze RNA-Abschnitte, die sie kleine interferierende RNA nannten, funktionierte in menschlichen Zellen. An diesem Punkt, sagt Sharp, sei das ganze Feld in Schwung gekommen.

Stille Behandlung

Jetzt suchen Ermittler nach Wegen, diese mächtige neue Rolle von RNA in Unternehmensgewinne umzuwandeln. Nahezu alle Pharmaunternehmen verwenden bereits RNA-Interferenz als Werkzeug für die Wirkstoffforschung. Eine der beliebtesten Strategien, um neue Wirkstoffziele zu finden, besteht darin, Gene einzeln auszuschalten oder zu deaktivieren, um zu sehen, was passiert. Wenn beispielsweise ein erkranktes Tier geheilt werden kann, indem ein bestimmtes Gen ausgeschaltet wird, könnte das Protein dieses Gens ein gutes Ziel für Medikamente sein. Es stellte sich heraus, dass die Verwendung kleiner interferierender RNAs diesen Prozess radikal beschleunigen kann. Anstatt Monate oder Jahre damit zu verbringen, einen Knockout zu entwickeln, verwenden Forscher die RNAs, um ein Gen gezielt und schnell auszuschalten. Sie können auch beobachten, ob das Ausschalten des Proteins – wie es ein Medikament wäre – Nebenwirkungen verursacht. Der Prozess findet in wenigen Tagen statt in einem Jahr statt, sagt Christophe Echeverri, CEO von Cenix BioScience, einem Biotech-Unternehmen in Dresden.

In der Endanwendung könnten kleine interferierende RNAs selbst Medikamente sein: Anstatt ein bestimmtes Protein zu blockieren, wie es Standardmedikamente tun, würde RNAi verhindern, dass das Protein jemals hergestellt wird. Im vergangenen Juni zeigte Sharp vom MIT, dass solche RNAs, die auf wichtige virale und menschliche Gene ausgerichtet sind, die HIV-Infektion in im Labor gezüchteten Zellen stoppen können. In einem Experiment vermischten die Forscher HIV-infizierte Zellen mit kleinen störenden RNAs, die auf virale Gene gerichtet waren. Die RNAs stoppten die virale Reproduktion. Sharps Gruppe vermischte auch nicht infizierte Zellen mit kleinen interferierenden RNAs, die auf CD4 abzielen, ein Protein auf der Zelloberfläche, durch das HIV ins Innere gelangt. Die Forscher zeigten, dass die RNAs die Produktion von CD4 verringerten. Zweieinhalb Tage später setzten sie RNA-behandelte Zellen und unbehandelte Zellen HIV aus. Das Virus infizierte viermal so viele unbehandelte Zellen.

Trotz der ermutigenden Ergebnisse befänden sich RNAi-Medikamente vorerst noch im Traumstadium, sagt Sharp. Aber Sharp hielt das frühe Versprechen für verlockend genug, um zusammen mit Zamore, Tuschl und zwei anderen Wissenschaftlern Alnylam Pharmaceuticals in Cambridge, MA, zu begründen, um solche Medikamente zu entwickeln. Das Unternehmen war kaum auf den Beinen, als es sich im vergangenen Juli 17 Millionen US-Dollar an Risikokapitalfinanzierungen sicherte.

Die Herstellung von RNAi-Medikamenten wird jedoch nicht einfach sein. Zum einen hat niemand geeignete Methoden gefunden, die RNAs dem Menschen zu verabreichen. Es liegt ein Lieferproblem vor. So einfach ist das, sagt der Chemiker Stuart Schreiber von der Harvard University. Nukleinsäuren in ihre Zielgewebe zu bringen [ist] ein ungelöstes Problem in der Medizin. Die RNAi-Therapie ist im Wesentlichen eine Gentherapie, sagt Schreiber, und sie wird mit denselben Problemen konfrontiert sein – Ineffizienz, Ineffektivität und immunologischen Nebenwirkungen –, die dieses Feld seit 1999 zum Stillstand gebracht haben, als Jesse Gelsinger während einer Gentherapie-Studie an der University of Pennsylvania starb. Dort verwendeten die Ärzte modifizierte Viren als Transportvehikel oder Vektoren, um DNA in die Zellen des Teenagers zu transportieren. Das Immunsystem von Gelsinger reagierte massiv – und tödlich.

Sharp sagt, dass die Hoffnung darin besteht, dass kleine interferierende RNA möglicherweise keine Vektoren benötigt, um ihr Ziel zu erreichen, wodurch die meisten Fallstricke vermieden werden, die mit einer DNA-basierten Gentherapie verbunden sind. Aber dieses Szenario ist alles andere als sicher. Können Sie RNAs modifizieren, um sie stabiler zu machen [und] damit sie effizienter von Zellen aufgenommen werden können? fragt Sharp. Wir wissen es nicht.

Sinn ergeben

Die jüngste biomedizinische Vorgeschichte trägt nicht dazu bei, die Unsicherheit zu beseitigen. Tatsächlich ist dies nicht das erste Mal, dass Wissenschaftler versucht haben, ein Medikament auf Basis von RNA zum Schweigen zu bringen. Auch einzelsträngige Antisense-RNA oder -DNA kann Gene lahmlegen – und benötigt keinen Vektor. Im Inneren der Zelle findet ein Antisense-Molekül seine komplementäre Boten-RNA und binden sich wie zwei Seiten eines Reißverschlusses fest zusammen, wodurch verhindert wird, dass die Boten-RNA die Proteinherstellungsmaschinerie der Zelle passiert. Das Ergebnis ist zumindest theoretisch eine Gen-Abschaltung.

Welt im Jahr 2030 Technologie

Antisense hingegen war bisher eine Enttäuschung als Basis für neue Medikamente. Nach mehr als einem Jahrzehnt intensiver Entwicklungsarbeit hat nur ein Antisense-Medikament – ​​Vitravene von Isis Pharmaceuticals zur Behandlung bestimmter seltener Augeninfektionen bei AIDS-Patienten – die Zulassung der Food and Drug Administration erhalten. Die erste Generation von Antisense-Medikamenten, die Anfang der 1990er Jahre getestet wurde, im Körper schnell abgebaut wurde, war schwer in die Zellen zu gelangen, verfehlte oft ihr Ziel und verursachte schwere Nebenwirkungen. Stabilere Antisense-Medikamente werden jetzt am Menschen getestet.

Kann RNAi besser sein als Antisense? Nicht so schnell, prognostiziert Frank Bennett, Vizepräsident für Antisense-Forschung bei Isis. Wenn man RNAi mit der aktuellen Version von Antisense vergleicht, gibt es wirklich keinen Vorteil, sagt er. [Kleine störende] RNA-Technologie steckt wirklich in den Kinderschuhen. Es ist ungefähr gleichbedeutend mit dem, was Antisense vor 10 Jahren war, als wir gerade erst mit Tierversuchen begannen.

Aber RNAi-Leute sehen ihre Technologie grundlegend anders als Antisense. Der große Vorteil von RNAi gegenüber Antisense ist, dass dies tatsächlich funktioniert, sagt Cenix-CEO Echeverri. RNAi sei weitaus wirksamer und zuverlässiger als Antisense. Antisense-Projekte wurden typischerweise als Selbstmordprojekte angesehen, sagt er. Sie könnten viel Zeit damit verbringen, es zum Laufen zu bringen, und es würde nie funktionieren. Sie hätten nichts zu zeigen. Echeverri glaubt, dass die größere Wirksamkeit von RNAi zu besseren Therapien führen sollte. Und weil weniger Medikamente benötigt werden, um ein Gen zum Schweigen zu bringen, sollte es weniger Nebenwirkungen geben.

Die Leute haben mit Antisense zu kämpfen gehabt, und hier ist eine Technologie, die wirklich funktioniert, stimmt Jon Wolff, Chief Scientific Officer von Mirus, einem Unternehmen für RNA-Therapeutika in Madison, WI, zu. Antisense ist schwer zu reproduzieren, aber RNAi ist etwas, das direkt aus dem Fass funktioniert.

Aber könnte RNAi nur eine weitere überhypte Technologie sein? Der Beweis liegt im Pudding, sagt Echeverri. In den letzten zwei, drei Jahren hat RNAi gerade komplett übernommen. Jeder wendet sich ihm zu; in jedem Organismus versuchen sie es. Und es wäre nicht so beliebt, wenn es nicht erfolgreich wäre.

Zweifel zum Schweigen bringen

RNAi hat noch niemand am Menschen ausprobiert, aber ein Unternehmen ist nah dran: Ribopharma, ein Biotech-Startup in Kulmbach, Deutschland. Mehr als ein Jahr bevor Tuschls Gruppe die wissenschaftliche Gemeinschaft mit ihren Neuigkeiten verblüffte, entdeckten die Gründer von Ribopharma, die ehemaligen Bayreuther Universitätsdozenten Roland Kreutzer und Stefan Limmer, dass kleine RNAs in Säugerzellen funktionieren. Das behaupten zumindest Kreutzer und Limmer. Sie haben ihre Daten nie veröffentlicht.

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Kreutzer und Limmer argumentierten, dass es für die sehr langen RNAs, wie sie von Fire und Mello verwendet werden, physikalisch unmöglich sei, auf einmal an ihre Ziel-RNAs zu binden. Nur kurze Segmente würden kleben. Also versuchten sie, Säugetiergene mit RNAs zum Schweigen zu bringen, die kurz genug waren, um der tödlichen Immunantwort zu entgehen. Es war Glücksspiel, sagt Limmer. Und es stellte sich heraus, dass es wirklich funktioniert. Die Forscher meldeten ein Patent an, kündigten ihre Lehrtätigkeit und gründeten im Juni 2000 Ribopharma.

Die Verantwortlichen von Ribopharma planen, im nächsten Jahr mit Studien am Menschen zu beginnen, wahrscheinlich beginnend mit Tests kleiner interferierender RNAs bei der Behandlung von malignem Melanom und Bauchspeicheldrüsenkrebs. Kreutzer und Limmer sagen, dass ihre RNA-Konstrukte stabil genug sind, um ohne Vektoren zu funktionieren und direkt in einen Tumor oder in den Blutkreislauf injiziert werden können. Das Unternehmen hat mehr als 18 Millionen US-Dollar eingesammelt. Da Ribopharma seine Ergebnisse jedoch noch nicht veröffentlicht hat, ist es schwierig, seine Behauptungen zu bewerten, sagen andere RNA-Forscher. Sie haben einiges getan, sagt Sharp vom MIT, ganz nett….[Aber] es ist ein langer Weg.

Wie lange? Die Einstellungen reichen von den optimistischen Versicherungen von Ribopharma bis hin zu starkem Pessimismus. David Beach, Präsident des RNAi-Startups Genetica in Cambridge, MA, weist auf die jahrzehntelange Odyssee von Antisense hin. Ich möchte nicht herumsitzen und argumentieren, dass der Einsatz von RNAi in einem therapeutischen Modus einfacher wäre, sagt er.

Viel klarer ist, dass RNAi Biologen zwingt, die Rolle der RNA zu überdenken. In den letzten Jahren haben Forscher Hunderte von Genen gefunden, die in Organismen von Pflanzen über Würmer bis hin zu Menschen für kleine RNA-Moleküle, sogenannte microRNAs, kodieren. Wie ihre kleinen interferierenden RNA-Cousins ​​scheinen microRNAs Gene zum Schweigen zu bringen, aber ihre Rolle in der Biologie ist weitgehend unbekannt. Viele von ihnen sind im Laufe der Evolution sehr hoch konserviert worden; [also] sie müssen etwas Wichtiges tun, sagt MIT-Biologe David Bartel. Inzwischen hat die Erkenntnis, dass RNAi ein natürlicher – und wahrscheinlich grundlegender – Prozess in Pflanzen und Tieren ist, dazu beigetragen, sie zu einem der aufregendsten Mysterien der heutigen Biologie zu machen.

Winzige RNA-Gene könnten das biologische Äquivalent der dunklen Materie sein – überall um uns herum, aber fast der Entdeckung entgehen, schrieb Gary Ruvkun, ein Molekularbiologe der Harvard Medical School, 2001 in der Zeitschrift Wissenschaft . Was machen diese mysteriösen Gene? Ich vermute, dass es sich bei dem, was wir hier sehen, um eine sehr alte Methode zur Kontrolle der Genexpression handelt, sagt Zamore.

Wenn microRNAs Schalter sind, die entscheiden, ob aus Stammzellen Neuronen oder Muskeln werden oder ob Krebszellen wachsen oder sterben, dann ist RNA-Interferenz viel wichtiger, als man sich noch vor wenigen Jahren vorgestellt hatte. Wir sind einfach über einen ganz neuen Zweig der Molekularbiologie gestolpert, den wir vorher nicht kannten, sagt Engelke aus Michigan.

Für die Optimisten deuten diese Durchbrüche auf die schnelle Entwicklung wirksamer Medikamente hin. Und selbst biomedizinische Forscher, die durch extravagante Behauptungen über magische Heilmittel zynisch gemacht wurden, glauben, dass RNAi einfach die Realität sein könnte. Als RNAi letztes Jahr zum ersten Mal in menschlichen Zellen funktionierte, wachten alle auf und sagten: Ich frage mich, ob das das Allheilmittel ist?“, sagt Engelke. Und es könnte sein. Es könnte sein.

Unternehmen, die RNA-Interferenz entwickeln BEGLEITUNG PRIMÄRER RNAi-FOKUS Alnylam-Pharmazeutika
(Cambridge, MA)
Therapeutika Benitec
(Brisbane, Australien)
Geistiges Eigentum für Genomik und Therapeutika Cenix BioScience
(Dresden, Deutschland)
Identifizierung von Wirkstoff-Targets und Therapeutika für Krebs Devgen
(Gent, Belgien)
Identifizierung von Wirkstoffzielen und Therapeutika für Diabetes, Depression und Parkinson-Krankheit Genetik
(Cambridge, MA)
Identifizierung von Wirkstoffzielen bei Krebs Mirus
(Madison, Wisconsin)
Therapeutika mit langer doppelsträngiger RNA Ribopharma
(Kulmbach, Germany)
Therapeutika für Krebs und Hepatitis C

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