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Gesundheit+Medizin

Genwerkzeug für Mitochondrien

Mitochondrium
Mitochondrien sind die "Kraftwerke" der Zelle und besitzen ihre eigene DNA. © Christoph Burgstedt/ iStock

Die Editierung des menschlichen Genoms könnte eines Tages schwere Erbkrankheiten heilen helfen – erste Ansätze dazu gibt es bereits. Doch ein Erbgut-Bestandteil blieb dabei weitgehend außen vor: die DNA der Mitochondrien. Jetzt hat ein Forschungsteam erstmals ein Werkzeug entwickelt, das die DNA-Base Adenin auch in mitochondrialer DNA in die Base Guanin umwandeln kann. Durch eine solche Korrektur könnten immerhin 39 der 90 bekannten krankmachenden Mutationen des Mitochondrien-Erbguts repariert werden – das eröffnet neue Ansätze für Forschung und Therapien.

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.

Korrektur von 39 der 90 krankmachenden Mutationen möglich

„Unsere neue Plattform TALED erweitert damit die Möglichkeiten der mitochondrialen Genom-Editierung dramatisch“, sagt Cho. Denn mit diesem Basenaustauch lassen sich nun weitere 39 der 90 krankmachenden Mutationen beheben. „Dies könnte einen großen Beitrag dazu leisten, neue Krankheitsmodelle zu erstellen, und auch dazu, eine Therapie zu entwickeln“, so der Forscher. Denn bisher krankt die Erforschung von Behandlungen der Mitochondrien-Erkrankungen auch daran, dass es bisher nicht möglich war, die bei Patienten vorkommenden Mutationen im Tiermodell nachzubilden – denn auch dafür ist im Normalfall eine Genomeditierung nötig. „Langfristig könnten TALEDs den Weg zu einer Korrektur von krankmachenden Mutationen der mitochondrialen DNA bei Embryos, Föten, Neugeborenen oder erwachsenen Patienten ebnen und so eine neue Ära der mitochondrialen Gentherapie einläuten“, schreiben Cho und sein Team.

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Bis es allerdings soweit ist, dass das neue Genwerkzeug bei Tieren oder sogar dem Menschen angewendet werden kann, ist noch einiges an Forschung und Optimierungen nötig, wie auch die Forscher einräumen. Denn die Effektivität und auch die Spezifizität des Basenaustauschs müsse noch deutlich erhöht werden. Zwar traten beim Einsatz der Methode an menschlichen Zellen keine unerwünschten Basenumwandlungen – sogenannte Off-Target-Effekte – an der Kern-DNA der Zellen auf. In der mitochondrialen DNA der behandelten Zellen gab es aber einen um das zwei- bis vierfach erhöhten Anteil unerwünschter Umwandlungen, wie das Team berichtet.

Quelle: Sung-Ik Cho (Institute for Basic Science, Daejeon) et al., Cell, doi: 10.1016/j.cell.2022.03.039

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