Sie gehören zu den gefährlichsten Krankheitserregern der Menschheit: Die sogenannten RNA-Viren verursachen unter anderem Grippe, Ebola oder Zika. Bei einer Infektion landen sie auf Körperzellen als winzige Partikel, die das Erbgut des Virus in der Form eines RNA-Strangs enthalten. Diesen schleusen sie in die Opfer ein und programmieren die Zellen durch diese genetische Information gleichsam in Viren-Fabriken um: Der Erreger zwingt befallene Zellen, weitere Viren-Partikel herzustellen, die sich anschließend auf die Reise zu neuen Opfern machen. All dies ist mit einer Belastung des Körpers verbunden, die bei manchen Viruserkrankungen lebensgefährlich ist.
Die Bekämpfung von Infektionen durch RNA-Viren stellt für die moderne Medizin nach wie vor eine große Herausforderung dar. Es gibt nur wenige antivirale Medikamente und die Krankheitserreger können schnell Resistenzen gegen sie ausbilden. Die starke Wandlungsfähigkeit der Erreger ist auch für die Entwicklung von Impfstoffen sehr problematisch. “Menschliche virale Krankheitserreger sind äußerst vielfältig und passen sich selbst innerhalb einer einzigen Virusspezies ständig an ihre Umgebung an, was sowohl die Herausforderung als auch die Notwendigkeit flexibler antiviraler Strategien unterstreicht”, sagt Pardis Sabeti von der Harvard University. “Wir präsentieren nun einen Ansatz zur Diagnose und Bekämpfung einer Vielzahl von RNA-Viren”, so der Wissenschaftler.
Gezielte Schnitte in genetischen Sequenzen
Das Verfahren der Forscher basiert auf der berühmten Crispr/Cas-Technologie, die in den letzten Jahren die Gentechnik revolutioniert hat. Sie beruht auf der Kombination einer genetischen Sequenz, die als Zielinformation dient und einem Enzym, das als Schere fungiert. Dieses Gespann ist in der Lage, gezielt an bestimmte genetische Sequenzen zu binden und diese anschließend zu schneiden. Für ihr Verfahren nutzen Sabeti und seine Kollegen ein spezielles Schneideenzym mit der Bezeichnung Cas13, das keine DNA, sondern nur RNA schneidet. In früheren Arbeiten haben die Forscher Cas13 bereits erfolgreich als Werkzeug zum Schneiden und Editieren von menschlicher RNA und zum Nachweis von Virusinfektionen eingesetzt. Daraus entstand das Diagnoseverfahren “SHERLOCK”. Nun ist ihnen ein wichtiger Schritt zum Ziel gelungen, Cas13 auch als ein Mittel zur Bekämpfung von RNA-Viren nutzbar zu machen.
Die Herausforderung war dabei, Stellen in der Virus-RNA ausfindig zu machen, die bei einem Schnitt durch das Enzym den Erreger auch tatsächlich vernichten. Außerdem musste es sich um eine grundlegende Sequenz handeln, die nicht den häufigen genetischen Veränderungen unterliegt, für die RNA-Viren berühmt-berüchtigt sind. Denn andernfalls könnte der Erreger schnell eine Resistenz gegen die Behandlung ausbilden. “Theoretisch könnte man Cas13 so programmieren, dass es praktisch jeden Teil eines Virus angreift”, erklärt Co-Autor Cameron Myhrvold. “Aber ein Großteil des Genoms ändert sich schnell, wenn sich ein Virus entwickelt. So kann man leicht ein schlechtes Ziel auswählen.”
Erfolgreich zerschnitten
Wie die Forscher berichten, führten die Datenanalysen der Genome vieler Viren zu einer Liste mit günstigen Angriffspunkten für Cas13. So konnten sie schließlich die Leit-RNA des Schneidewerkzeugs auf diese Stellen programmieren. Ob das Verfahren funktioniert, testeten sie an menschlichen Zellkulturen. In ihnen etablierten sie zunächst Cas13 mitsamt der jeweiligen Leit-RNA. 24 Stunden später setzten sie die Zellen dann jeweils drei unterschiedlichen RNA-Viren aus: dem lymphatischen Choriomeningitis-Virus (LCMV), dem Influenza-A-Virus (IAV) und dem vesikulären Stomatitis-Virus (VSV).
Es zeigte sich: Nach weiteren 24 Stunden hatten die Cas13-Enzyme den Gehalt an viraler RNA in den Zellkulturen um das bis zu 40-fache reduziert. Anschließend untersuchte das Team, was dies für das Infektionspotenzial der Erreger bedeutete – mit anderen Worten, wie viel des verbleibenden Virus weiterhin menschliche Zellen infizieren konnte. Die Daten zeigten, dass acht Stunden nach der Virusexposition Cas13 die Infektiösität im Fall des Grippevirus um mehr als das 300-fache verringert hatte. Um eine diagnostische Komponente hinzuzufügen, haben die Forscher auch ihre auf Cas13 basierte Nukleinsäure-Detektionstechnologie SHERLOCK in das Verfahren integriert. So konnten sie die verbleibenden Mengen an viraler RNA in den Proben genau erfassen. Das neue Kombinationsverfahren nennen sie nun CARVER (Cas13-Assisted Restriction of Viral Expression and Readout).
Man darf nun also gespannt sein, was sich aus dem Ansatz entwickeln wird. Auf jeden Fall sehen die Wissenschaftler in Cas13 ein wichtiges Forschungsinstrument, um viele Aspekte der Virusbiologie in menschlichen Zellen zu untersuchen. Doch wie aus der aktuellen Studie hervorgeht, könne das Potenzial noch größer sein: “Es könnte sich ein klinisches Verfahren entwickeln, das die Diagnose, Bekämpfung und den Wirkungsnachweis der Behandlung einer Virusinfektion ermöglicht“, hofft Co-Autorin Catherine Freije von der Harvard University.
Quelle: Broad Institute of MIT and Harvard, Fachartikel: Molecular Cell, doi: 10.1016/j.molcel.2019.09.013
