Schon die Veränderung eines einzigen “Buchstabens” im Basencode unseres Erbguts kann im Extremfall zu schweren, teilweise sogar tödlichen Krankheiten führen. Bisher sind die meisten dieser Krankheiten nicht heilbar. Erst mit der Entwicklung neuer Technologien der Geneditierung wie der Genschere CRISPR/Cas9 rücken nun Möglichkeiten der Gentherapie für solche Erkrankungen in greifbare Nähe. Doch diese Werkzeuge zum Austausch von einzelnen DNA-Basen oder ganzen Genabschnitten funktionieren nur bei der im Zellkern liegenden DNA unserer Zellen. Für das Genom der Mitochondrien, der “Kraftwerke” der Zellen, eignen sie sich nicht, weil sie meist nicht in die Mitochondrien eindringen können. Dadurch fehlen bisher Ansätze, um die Krankheiten zu behandeln, die durch Mutationen in der mitochondrialen DNA verursacht werden. Von einer solchen meist erblichen mitochondrialen Erkrankung ist immerhin rund eine Person unter 5000 betroffen und auch diese Krankheiten können schwere Leiden hervorrufen und sogar tödlich sein.
Drei Molekülwerkzeuge kombiniert
Bisher jedoch gibt es nur wenig Möglichkeiten, Gendefekte in der mitochondrialen DNA zu reparieren. Erst im Jahr 2020 entwickelten US-Forscher erstmals ein molekulares Werkzeug, das die DNA-Base Cytosin in der mitochondrialen DNA in die DNA-Base Thymin umwandeln kann. Weil diese Editierungs-Technik aber nur bei einem Teil der fehlplatzierten Cytosin-Basen greift, ist der medizinische Effekt begrenzt: Selbst wenn dieses Editierungswerkzeug reif für den klinischen Einsatz ist, wird es nur neun von rund 90 bekannten Mitochondrien-Mutationen reparieren können. “Wir haben daher nach Möglichkeiten gesucht, diese Begrenzung zu überwinden”, erklärt Erstautor Sung-Ik Cho vom Institut für Grundlagenforschung im südkoreanischen Daejeon.
Durch Kombination von drei verschiedenen molekularen Komponenten gelang es dem Team um Cho, ein Editierungswerkzeug zu entwickeln, das im Mitochondrien-Genom nun auch die DNA-Base Adenin in Guanin umwandeln kann. Sie besteht zum einen aus einer Variante der schon von dem US-Team entwickelten Cytosin-Deaminase, das mit einem sogenannten Transcription Activator-like Effector (TALE) kombiniert wird, der gezielt einen Abschnitt des mitochondrialen DNA erkennen und ansteuern kann. Als dritte Komponente kommt TadA8e hinzu, eine Adenin-Deaminase, die die Umwandlung von Adenin in Guanin begünstigt. Durch Tests mit menschlichen Zelllinien gelang es dem Team, die Kombination so weit zu optimieren, dass dieses Genwerkzeug bis zu 49 Prozent der fehlerhaften Adenin-Basen in den Mitochondrien der Testzellen durch die korrekte Guanin-Base ersetzen. In den Tests erwies sich das Editierungswerkzeug zudem als nicht zellschädlich und auch eine Destabilisierung der mitochondrialen DNA trat nicht auf.
