Was ist Genome Editing?

Ein Beitrag von Sebastian Brodkorb

Du fragst dich, was Genome Editing ist? Dann bist du auf dieser Seite genau richtig. Hier erfährst du, mit welchem Ziel Wissenschaftler/innen die Methoden des Genome Editing einsetzen und was das Genome Editing als biochemische Technik auszeichnet. Außerdem kannst du dir im Detail anschauen, was in der Zelle passiert, wenn Wissenschaftler/innen CRISPR-Cas9 verwenden, um die DNA zu verändern. Zuletzt sprechen wir darüber, was bei einem Genome Editing Eingriff schiefgehen kann und wie Wissenschaftler/innen versuchen, fehlerhafte Eingriffe zu vermeiden.

Damit du dir auf dieser Seite leichter tust, solltest du wissen, was sich hinter den Begriffen DNA, RNA und Protein verbirgt. Wenn du dein Wissen hierzu noch einmal auffrischen willst, wirf doch einmal einen Blick auf die Info-Grafik neben (beziehungsweise in der Mobil-Version unter) dem Video. Starte nun das Video.

Text und Video: Sebastian Brodkorb; Musik: reCreation by airtone (CC BY); der Video-Text zum Nachlesen findet sich am unteren Ende der Seite.

Hinter dem Begriff „Genome Edting“ verstecken sich verschiedene biochemische Methoden. Diese Techniken ermöglichen, die DNA an einer ganz bestimmten Stelle zu verändern. Den Methoden liegen bestimmte biochemische Werkzeuge zugrunde. Diese Werkzeuge werden von Wissenschaftler/innen so gestaltet, dass sie einerseits einen im Voraus ausgewählten DNA-Abschnitt erkennen können. Außerdem zeichnet die Werkzeuge aus, dass sie an der erkannten Stelle die DNA schneiden können. Das bekannteste dieser Werkzeuge ist CRISPR-Cas9. Ansonsten gibt es noch die Zink-Finger-Nukleasen und die TALENs.

Wissenschaftler/innen verwenden die Methoden des Genome Editings, um die Eigenschaften von Lebewesen beziehungsweise deren Zellen zu verändern. Dies gelingt, weil die körperlichen Eigenschaften von Lebewesen in der DNA festgeschrieben sind. So können Wissenschaftler/innen zum Beispiel ertragreichere Getreidepflanzen erzeugen oder Ärzt/innen die Struktur krankmachender Eiweißstoffe (Proteine) korrigieren.

Begriffsklärung: Genome Editing

Der Begriff des Genome Editing stammt aus dem Englischen. Er wird in das Deutsche häufig mit Genom Editierung übersetzt.

Der Begriff „Genom“ meint dabei die Gesamtheit der genetischen Information einer Zelle. Beim Menschen ist hiermit die DNA gemeint, welche in Chromosomen geordnet ist.

Das Wort „Editierung“ gibt es so eigentlich nicht im Deutschen. Es ist die eingedeutschte Version des englischen „Editing“, welches wiederum von dem Verb „edit“, zu Deutsch edieren, herstammt. Dahinter verbirgt sich der Prozess, welcher einer Veröffentlichung eines Buches vorausgeht. Gemeint ist also das Herausgeben. Im Englischen ist der „Herausgeber“ der „Editor. Mit Genom Editierung ist also gemeint, dass die ursprüngliche DNA einer Zeller wie ein Buchmanuskript überarbeitet wird.

Warum diese Metapher problematisch ist, erfährst du hier.

Mit den früheren Verfahren der Gentechnik veränderten Wissenschaftler/innen das Genom an einem zufälligen Ort oder schleusten vorübergehend ein Gen in die Zelle ein. Die Methoden des Genome Editings stattdessen arbeiten zielgenau und verändern die ursprüngliche DNA der Zelle. Dass die Methoden genau arbeiten, ist besonders wichtig, da das Genom von Lebewesen sehr groß ist. Die DNA des Menschen besteht etwa aus 3 270 000 000 Bausteinen. Mit Genome Editing können Wissenschaftler/innen einzelne dieser Bausteine nach ihrem Wunsch austauschen.

Bei vielen Erbkrankheiten macht ein einzelner dieser Bausteine den Unterschied aus, ob ein Mensch gesund oder krank ist. Deshalb hoffen Patient/innen wie Mediziner/innen darauf, mit Genome Editing schwere Krankheiten heilen oder gar verhindern zu können. Denn würden Ärzt/innen einen entsprechenden Genome Editing Eingriff in einer frühen Phase des menschlichen Lebens – zum Beispiel der befruchteten Eizelle – durchführen, wäre die Ursache für die Krankheit beseitigt. Der entstehende Mensch bliebe von der Krankheit verschont.

Verändern Wissenschaftler/innen die DNA einer Zelle, bleibt diese Modifikation, solange bestehen, wie die Zelle überlebt. Dies gilt auch für alle Eigenschaften, welche durch das Verändern der DNA hinzugekommen sind. So können sich die Eigenschaften über das ganze restliche Leben auswirken oder sogar noch länger. Denn wird die Erbinformation von Keimbahnzellen verändert, können die jeweiligen Personen betroffene Gene und Eigenschaften an ihre Nachkommen vererben. Und auch die Nachkommen können wiederum die betroffenen Gene vererben. Dies alles gilt allerdings nicht nur, wenn ein Genome Editing Eingriff wie gewollt funktioniert hat, sondern auch, wenn Fehler entstanden sind. Diese könnten sich ebenfalls über Generation hinweg auswirken (mehr dazu später).

Begriffsklärung: Keimbahnzellen

Zu den Zellen der Keimbahn gehören, alle jene Zellen, aus denen ein neuer Mensch entstehen könnte. Hierzu zählen die Eizellen der Frau, die Spermien des Mannes, deren Vorläuferzellen, die befruchte Eizelle oder die Zellen des frühen Embryos. Denn auch aus diesen Zellen kann noch ein neuer Mensch entstehen, wie es etwa bei eineiigen Zwillingen der Fall ist.

Wissenschaftler/innen sprechen von Keimbahn-Zellen, weil einerseits in ihnen der Keim für einen neuen Menschen liegt, anderseits, die Zellen, eine Linie (oder eben Bahn) zwischen Vorfahren und Nachkommen bildet.

Wissenschaftler/innen unterscheiden Keimbahnzellen von Körperzellen. Körperzellen haben speziellen Funktionen. Zu ihnen gehören etwa: Blutzellen, Muskelzellen oder Nervenzellen.

Versuche nun einmal kurz mit eigenen Worten zusammenzufassen, was Wissenschaftler/innen unter dem Begriff „Genome Editing“ verstehen.

Biochemischer Mechanismus

Wir glauben nicht, dass du im Detail wissen musst, was beim Genome Editing in der Zelle passiert. Auch ohne dieses Wissen kannst du dich den ethischen Fragen widmen. Hilfreich ist es dennoch, einen Überblick über die Vorgänge in der Zelle zu haben, die beim Genome Editing das Erbgut verändern. Dadurch kannst du einige Probleme und Risiken, aber auch Vorteile der Methode besser nachvollziehen.

Für einen Genome Editing Eingriff mittels CRISPR-Cas9 braucht es:

Cas9-Protein: Ein Eiweißstoff aus dem bakteriellen CRISPR-System, welcher mit Hilfe einer Leit-RNA bestimmte DNA-Abschnitte erkennen und die DNA an der erkannten Stelle schneiden kann.
Leit-RNA: Damit das Cas9-Protein nicht irgendwo im Genom schneidet, sondern genau da, wo Ärzt/innen und Forscher/innen dies wollen, braucht es etwas, dass das Cas9-Protein an die richtige Stelle führt. Die Leit-RNA ist dieses Etwas. Das Cas9-Protein bindet die Leit-RNA. Der Cas9-Protein/Leit-RNA-Komplex gleitet an der DNA entlang. Der Komplex bindet die DNA, wenn ein DNA-Abschnitt erreicht wird, welcher das Gegenstück zur Leit-RNA ist. Wissenschaftler/innen müssen dementsprechend vor jedem Eingriff die Leit-RNA so herstellen, dass sie zu der jeweiligen Ziel-DNA passt.
DNA-Stück: Dieses weist die Veränderung auf, welche letztlich im Genom vorhanden sein soll. Abgesehen von der gewünschten Veränderung entspricht es der ursprünglichen DNA der Zelle.

Je ein Stück veränderte DNA, Cas9-Protein und Leit-RNA reicht allerdings nicht. Die Wissenschaftler/innen injizieren in die Zelle einen Mix, welcher jedes der drei Werkzeuge in großen Mengen enthält.

Nebeneffekte: Was kann schief gehen?

Wie der Austausch eines einzelnen Bausteines ausreicht, um eine Krankheit zu vermeiden, so kann ein einzelner Baustein, der an der falschen Stelle eingesetzt wurde, dazu führen, dass eine Krankheit ausbricht. Die Folgen können tödlich sein. Genau deshalb ist es entscheidend, dass die Techniken des Genome Editing so genau arbeiten. Dies erst ermöglicht einen gen-verändernden Eingriff in die menschliche DNA, bei dem negative Folgen sehr unwahrscheinlich sind. Denn auch die Genome Editing Methoden sind nicht fehlerfrei. Wie bei Medikamenten gibt es auch hier ungewollte Nebeneffekte.

Doch anders als bei den meisten klassischen Medikamenten lässt sich die Nebenwirkung nicht einfach rückgängig machen, indem der oder die Betroffene das Medikament absetzt. Wurde das Genom ungewollt verändert, ist dies kaum mehr rückgängig zu machen. Viele Nebeneffekte wie ein erhöhtes Krebsrisiko zeigen sich zudem erst nach Jahren. Theoretisch wäre die einzige Möglichkeit, gemachte Fehler zu beheben, ein erneuter Genome Editing Eingriff. Praktisch steht dies allerdings zumindest nach heutigem Forschungsstand außer Frage. Denn bisher ist es unmöglich innerhalb eines menschlichen Körpers alle oder eine bestimmte Auswahl an Zellen mit einem korrigierenden Eingriff zu erreichen. Zudem birgt jeder weitere Genome Editing Eingriff weiteres Risiko. Auch bei diesem Eingriff könnten wieder ungewollte Nebeneffekte entstehen.

Ungewollte Änderungen abseits des Ziel-Gens (eng.: off-target effects)

Doch wie entstehen die Nebeneffekte? Es kann etwa vorkommen, dass die Werkzeuge nicht immer nur in dem Gen schneiden, wo sie sollen, sondern ab und zu auch an einer anderen Stelle im Genom. Da hier abseits vom Ziel-Gen ein Nebeneffekt auftritt, nennen Wissenschaftler/innen dies einen zielfernen Effekt (eng.: off-target effect). Je nachdem wo der Schnitt passiert und dadurch die DNA ungewollt umgeschrieben wird, können lebenswichtige Werkzeuge des Körpers ausfallen. Eine Folge kann Krebs sein.

Ungewollte Änderungen innerhalb des Ziel-Gens (eng.: on-target effects)

Genauso kann es sein, dass die Genome-Editing-Werkzeuge zwar innerhalb des Ziel-Gens schneiden, aber entweder das Umschreiben des DNA-Codes nicht geklappt hat oder aber der Schnitt an der falschen Stelle innerhalb des Gens stattfindet. Entstehende Nebeneffekte nennen Wissenschaftler dann on-target-effects, eben weil die unerwünschten Effekte auf dem Ziel-Abschnitt der DNA passieren. In so einem Fall kann es passieren, dass das Gen und das darauf basierende Protein, welches zuvor nur schlecht funktioniert hat, nun gar nicht mehr arbeitet. Da die meisten Erbkrankheiten Gene betreffen, die außerordentlich wichtig für einen gesunden Körper sind, können die Folgen drastisch sein.

Tests, Tests, Tests

Um die Nebeneffekte zu vermindern, überprüfen Wissenschaftler/innen die von ihnen durchgeführten Eingriffe mit genetischen Tests. So kann ausgeschlossen werden, dass eine ungewünschte Veränderung der DNA durchgeführt wurde.

In der Medizin sind die Tests unerlässlich. Beispielsweise bevor ein gen-editierter Embryo der Mutter zum Austragen eingesetzt wird oder im Labor genetisch veränderte Zellen, den Weg zurück in den Patienten finden. So verlässlich genetische Tests allerdings sind, eine hundertprozentige Sicherheit können auch sie nicht gewähren.

Der Mensch als genetisches Mosaik

Ein anderer Nebeneffekt kann sein, dass durch den Genome Editing Eingriff ein genetisches Mosaik entsteht. Das heißt, dass nicht alle, sondern beispielsweise nur die Hälfte der Zellen eines Lebewesens erfolgreich gen-editiert wurde. Dass sich das genetische Profil der einzelnen Zellen eines Menschen unterscheidet, ist in einem geringen Maßstab immer der Fall. Denn äußere Einflüsse verändern die DNA der Zellen andauernd. Die meisten Veränderungen machen die DNA-Reparatur-Mechanismen der Zelle wieder rückgängig. Manche aber bleiben für die restliche Lebensdauer der Zelle bestehen und, sind Keimbahnzellen betroffen, wird die veränderte DNA sogar an Nachkommen vererbt.

Allerdings kann dies auch ungewollt bei einem Keimbahn-Eingriff geschehen. Bei einem Keimbahn-Eingriff wird meist eine befruchte Eizelle gen-editiert. Der Vorteil ist, dass Ärtz/innen nur eine einzige Zelle gen-editieren müssen und dennoch der ganze Mensch am Ende das veränderte Gen trägt. Allerdings kann es sein, dass sich die Zelle teilt, bevor die Genome-Editing-Werkzeuge die DNA verändert haben. Da die Genome-Editing-Werkzeuge allerdings nicht von einer in die andere Zelle gelangen, wird nur der Teil der Zellen gen-editert, in welchem die Genome-Editing-Werkzeuge zugegen sind. In manchen Fällen kann der gen-editierte Mensch auch dann gesund geboren werden, wenn nur in einem Teil der Zellen die Veränderung der DNA stattgefunden hat. In anderen Fällen kann der Eingriff aber auch vollkommen nutzlos gewesen sein.

Allergisch auf CRISPR-Cas9

Zuletzt kann es bei einem Eingriff innerhalb des Körpers vorkommen, dass der Körper sich gegen das CRISPR-Cas9-Protein wehrt. Das liegt daran, dass CRISPR-Cas9 aus Bakterien stammt. Die meisten CRISPR-Cas9-Varianten, welche Wissenschaftler/innen und Ärzt/innen für das Genome Editing verwenden, kommen zudem aus Bakterien, welche bei uns Krankheiten hervorrufen. So etwa aus dem Bakterium Streptococcus pyogenes, dem Scharlach-Erreger.

Der Körper des Patienten hat meist im Laufe seines Lebens bereits gegen das Bakterium gekämpft. Er kennt dadurch die CRISPR-Cas9-Proteine des Bakteriums und hat diese als feindlich abgespeichert. So kann es zu einer Immunantwort auf die CRISPR-Cas9-Proteine kommen. Im Normalfall entstehen für den Patienten hierdurch zum Glück keine gesundheitsschädlichen Nebenwirkungen. Aber weil der Körper das CRISPR-Cas9-Protein bekämpft, verhindert er so auch, dass der Genome Editing Eingriff erfolgreich verläuft. Außerdem kann es auch vorkommen, dass der Körper bei der Bekämpfung des CRISPR-Cas9-Proteins zu stark reagiert und eine heftige allergische Reaktion auslöst. In einzelnen Fällen kann auch diese tödlich enden. Auch um dies zu verhindern, sind Wissenschaftler/innen immer auf der Suche nach neuen CRISPR-Cas9-Varianten.

Video-Text zum Nachlesen

Was ist Genome Editing? Vermutlich hast du aufs Video geklickt, weil du dir diese Frage stellst. Bevor wir aber diese Frage beantworten, stellen wir erstmal eine andere Frage. Was können wir mit Genome Editing machen? Bzw. Was wir früher nicht konnten? Mit Genome Editing können wir die Eigenschaften von Lebewesen wie etwa von Tieren oder von Pflanzen anpassen.

Doch das ist an sich nichts Neues. Schon seit Jahrtausenden verändern Menschen die Eigenschaften von Tieren und Pflanzen. Unsere Vorfahren taten dies, ohne zu wissen, wie genetische Prozesse funktionieren. Sie suchten Lebewesen mit gewünschten Eigenschaften und züchteten und kreuzten diese über Generationen und Generationen hinweg. So entstanden etwa Pflanzen die mehr Früchte tragen als ihre Verwandten in der Natur. Und aus Wildtieren sind heutige Haus- und Nutztiere geworden. Mit den neuen Methoden des Genome Eittings beabsichtigen WissenschaftlerInnen nichts anderes. Auch sie wollen die Eigenschaften von Lebewesen verändern. Doch entgegnen den aufwändigen Zuchtmethoden unserer Vorfahren können sie mit Genome Editing einen viel direkter Weg gehen.

Denn wie wir heute wissen, sind die Eigenschaften von allen Lebewesen in den Genen verankert. Über die DNA vererben Vorfahren ihre Gene an die Nachkommen. Das gilt für Bakterien ebenso wie für Pilze, Pflanzen, Tiere oder Menschen. Gene sind bestimmte Abschnitte innerhalb der DNA. Es gibt Gene, die Augen- oder Haarfarbe bestimmen. Gene, die das Muskelwachstum regeln oder Gene, die etwa verhindern, dass Krebs entsteht.

Kommen allerdings Fehler im genetischen Code vor, kann das schwere Folgen haben. Wenn WissenschaftlerInnen die DNA an bestimmten Stellen und somit das betreffende Gen verändern, können sie Fehler beheben. Genauso können sie aber auch die naturgegebenen Eigenschaften eines Lebewesens verändern oder neue Eigenschaften hinzufügen. Eben dies, das ortsgenaue Verändern der DNA, ist mit Genome Editing möglich. Allerdings sind die meisten Eigenschaften wie etwa Intelligenz so kompliziert, dass wir nicht wissen, an welchen Genen man ansetzen muss. Und die Gefahr Fehler in lebenswichtige Gene einzubauen ist groß.

Nun wissen wir also, dass wir mit Genome Editing die Gene und somit die Eigenschaften von Lebewesen verändern können. Was ist nun aber Genome Editing? WissenschaftlerInnen haben schon vor knapp 20 Jahren Genome Editing Werkzeuge entdeckt, mit welchen sie die DNA einer Zelle verändern können.

Dabei handelt es sich um Enzyme, welche einerseits bestimmte DNA Abschnitte erkennen und andererseits dann an der erkannten Stelle die DNA schneiden können. Es entsteht ein DNA Doppelstrang-Bruch. Da Brüche in der DNA für die Zelle schädlich sind, versucht die Zelle den Bruch zu reparieren. WissenschaftlerInnen nutzen das aus, indem sie ein eigenes Stück DNA hinzugeben. Die Reparatur-Mechanismen der Zelle orientieren sich an der Vorlage und schließen die Lücke in der DNA.

So können einzelne DNA Bausteine eines Genes ausgetauscht werden. Aber auch ein ganzes Gen herausgeschnitten oder eines neu hinzugefügt werden. Enzyme, die die DNA erkennen und schneiden können sind die älteren Zink-Finger-Nukleasen, die TALENs und CRISPR-Cas9. Weil CRISPR-Cas9 leichter zu handhaben ist und Genome Editing damit erst für die meisten WissenschaftlerInnen überhaupt ermöglicht hat, gab es 2020 hierfür sogar den Nobelpreis.