Genschere jetzt auch für RNA

Zur Reparatur eines fehlerhaften genetischen Codes gibt es jetzt ein neues Werkzeug (Grafik: ktsimage/iStock)

Die Genschere Crispr/Cas9 gilt als wichtiger Durchbruch für Gentechnik und Medizin, denn mit ihrer Hilfe lassen sich Mutationen im Erbmolekül DNA reparieren. Jetzt haben Forscher auf Basis von Crispr eine weitere Genschere entwickelt, die ähnlich wichtig werden könnte. Sie repariert nicht die DNA, sondern die RNA – und damit das Molekül, das für die Übersetzung des Gencodes in Proteine die entscheidende Rolle spielt. Das REPAIR getaufte System kann dadurch verhindern, dass ein Buchstabenfehler im Erbgut zu fehlerhaften Proteinen und damit Krankheiten führt.

Schon lange träumen Genetiker und Biomediziner davon, krankmachende Mutationen im Erbgut einfach reparieren zu können. Ersetzt man die fehlerhaften DNA-Sequenzen in den Zellen von Patienten, dann könnten Erbkrankheiten endlich mit einer solchen Gentherapie geheilt werden. Momentan ruht die Hoffnung der Forscher dabei vor allem auf der Genschere Crispr/Cas9. Diese ursprünglich bei Bakterien entdeckte Kombination aus einem Genabschnitt und einem Enzym ist in der Lage, gezielt an bestimmte DNA-Abfolgen des Erbguts zu binden und diese herauszutrennen. Die zelleigenen Reparaturmechanismen sorgen dann dafür, dass dieser zuvor fehlerhafte Abschnitt korrekt wieder ergänzt wird. Seit der Entdeckung dieser Genschere haben Forscher sie bereits genutzt, um Mäuse von der Duchenne-Muskeldystrophie zu heilen, eine Alzheimer-Mutation in menschlichen Zellen zu korrigieren und den Gendefekt der Sichelzellen-Anämie zu reparieren. Auch ethisch umstrittene Eingriffe in das Erbgut von Embryonen wurden mit dieser Methode schon erprobt.

RNA statt DNA

Jetzt haben David Cox und seine Kollegen vom Broad Institute und Massachusetts Institute of Technology (MIT) einen weiteren Durchbruch erzielt: Sie haben die Crispr-Genschere so modifiziert, dass sie nicht die DNA, sondern die RNA editieren kann. Sie spielt in unseren Zellen eine entscheidende Rolle als Mittler zwischen den Genen im Zellkern und der Produktion der von ihnen kodierten Proteine. Soll ein Gen abgelesen werden, wird von seiner Genabfolge eine exakte Kopie in Form eines RNA-Strangs hergestellt. Diese RNA wandert dann zu den im Zellplasma liegenden Ribosomen und dient dort als Blaupause für die Proteinproduktion. Der Clou dabei:  Korrigiert man eine fehlerhafte Sequenz in dieser Boten-RNA, dann kann ein funktionsfähiges Protein erzeugt werden, ohne dass dafür ein Eingriff an der DNA nötig ist. Krankmachende Mutationen können so repariert werden, ohne dauerhafte und möglicherweise ethisch umstrittene Veränderungen des Erbguts.

Um eine solche RNA-Reparatur zu ermöglichen, haben Cox und seine Kollegen gezielt nach geeigneten Molekülen in der Cas13-Enzymgruppe gesucht. Von diesen Enzymen ist bekannt, dass sie an der RNA ansetzen und sie schneiden können. Im Enzym PspCas13b der Bakteriengattung Prevotella wurden die Forscher fündig. Sie modifizierten anschließend dieses Enzym so, dass es zwar punktgenau an die RNA bindet, aber sie nicht mehr schneidet. Dann verknüpften sie diese Enzymvariante mit einem Protein namens ADAR2, das die Base Adenosin in der RNA-Sequenz in Inosin umwandelt – eine Base, die als Guanin abgelesen wird. Das gesamte Konstrukt – "RNA Editing for Programmable A to I Replacement" oder kurz "REPAIR" - kann damit Punktmutationen korrigieren, bei denen im Gencode irrtümlich Adenosin statt Guanin eingesetzt wurde.

Reparatur ohne Eingriff ins Erbgut

Spannend ist dieses neue Reparatur-Werkzeug deshalb, weil dieser Tausch der Genbuchstaben G zu A im menschlichen Erbgut sehr häufig vorkommt und an vielen Erbkrankheiten beteiligt ist, wie die Forscher erklären. So kommt diese Mutation unter anderem bei der Duchenne-Muskeldystrophie vor, aber auch bei erblichen Formen der Epilepsie und von Parkinson. "REPAIR kann nun diese Mutationen korrigieren, ohne dass es das Genom verändert", erklärt Cox. Wie gut ihr neues Reparatur-Werkzeuge funktioniert haben er und seine Kollegen bereits in Zellkulturen getestet. Dafür fügten die Forscher absichtlich verschiedene Guanin-zu-Adenosin-Mutationen ins Erbgut der Zellen ein und ließen REPAIR diese Fehler korrigieren. Das Ergebnis: REPAIR machte in 20 bis 40 Prozent der RNA den Fehler rückgängig. Gleichzeitig traten nur wenige sogenannte Off-Target-Effekte auf - an falscher Stelle vorgenommene Änderungen der Basenabfolge.

"Diese neue Möglichkeit, die RNA zu editieren, könnte uns die Chance eröffnen, viele Krankheiten zu behandeln und dies in fast jeder Art von Zelle", sagt Cox Kollege Feng Zhang. Gegenüber herkömmlichen Genscheren habe das REPAIR-System dabei gleich mehrere entscheidende Vorteile: "Das REPAIR-System arbeitet unabhängig von der umliegenden Sequenz und kann daher jede Adenosin-Base im Transkriptom ansteuern", so die Forscher. "Außerdem wandelt REPAIR das Adenosin direkt in Inosin um, ohne dass es dafür die zelleigenen Reparaturmechanismen benötigt." Dadurch funktioniert dieses System selbst in Zellen wie Neuronen effektiv, deren eigene Reparatursysteme nur schwach arbeiten. Damit auch andere Forscher das neue REPAIR-System weiter optimieren und ausprobieren können, wollen Cox und seine Kollegen die Bauanleitung dafür künftig frei zugänglich machen.

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