Mit CRISPR – auch als „Genschere“ bekannt – kann man präzise Erbgut verändern. CRISPR kann aber noch mehr: Diese Methode hilft der Wissenschaft bei der Erforschung genetischer Erkrankungen.
Mithilfe des CRISPR-Systems kann man einzelne Bausteine des Erbguts, DNA-Basen oder ganze Gene gezielt verändern: DNA-Bausteine oder Gene können entfernt, eingefügt oder Fehler gezielt repariert werden.
Unser gesamtes „Erbgut“ – alle vererbbaren Informationen eines Organismus – ist in 23 Chromosomen-Paaren gespeichert. Jedes einzelne Chromosom besteht aus einer dicht gepackten DNA-Struktur. Bestimmte Abschnitte enthalten Informationen für regulatorische Sequenzen, den Code für die Entwicklung von Eigenschaften und von Proteinen. Fehler in diesen Abschnitten können zur Ausprägung veränderter Eigenschaften und Merkmale führen.
Neben dem Schneiden und anschließenden Verändern der Gene gibt es noch weitere Anwendungsgebiete für CRISPR: Mit Hilfe dieser Methode suchen Forscher*innen nach bestimmten Genen, die mit der Entstehung von Erkrankungen in Verbindung stehen.
„CRISPR ist mehr als nur eine Methode, mit der man Gene schneiden und verändern kann – es bietet eine ganze Reihe an Möglichkeiten, Gene zu erforschen“, erklärt Dr. John Reidhaar-Olson, Leiter von Pfizers Functional Genomics Center in Cambridge in den USA.
Das Team um Dr. Reidhaar-Olson erforscht mittels CRISPR Gene, die mit einer seltenen vererbbaren Erkrankung in Verbindung stehen – der Friedreichs-Ataxie. Kommt eine bestimmte Abfolge von DNA-Bausteinen gehäuft in dem sogenannten FXN-Gen vor, wird das Protein Frataxin nicht mehr ausreichend produziert. Der Mangel an Frataxin verursacht bei den Patient*innen die typischen Symptome der Friedreichs-Ataxie: Empfindungsstörungen in Armen und Beinen, beeinträchtigte Muskelfunktionen und eine Verkrümmung der Wirbelsäule.
Der Mangel an Frataxin schädigt insbesondere Nervenzellen - ein Phänomen, das das Team um Dr. Reidhaar-Olson erforscht. Mit der CRISPR-Methode schalten sie bestimmte Gene aus, die möglicherweise eine entscheidende Rolle bei der Schädigung von Nervenzellen spielen. In einem komplexen Prozess lassen sich so jene Gene und deren Wechselwirkungen untereinander (genetic pathway) identifizieren, die an der schwerwiegenden Schädigung von Nervenzellen bei Friedreichs-Ataxie beteiligt sind. So hofft das Forschungsteam, mögliche Ansatzpunkte für die Entwicklung von neuen Medikamenten für diese Erkrankung zu finden.
„CRISPR bedeutet eine Revolution auf dem Gebiet der präzisen Genmanipulation. Diese Methode hilft uns zu verstehen, welche Gene eine entscheidende Rolle bei der Entstehung bestimmter Erkrankungen spielen. Diese Informationen liefern uns neue Ansatzpunkte in der Entwicklung von Medikamenten“, erklärt Dr. Reidhaar-Olson.
Genetic pathway bezeichnet Wechselwirkungen bestimmter Gene untereinander, die alle zusammen für eine voll funktionsfähige Zelle notwendig sind. Diese Gen-Wechselwirkungen dienen der Weitergabe von Informationen in der Zelle. Führt eine genetische Veränderung zu einem nicht-funktionierenden Gen, sind bestimmte Wechselwirkungen nicht mehr möglich. Die Weitergabe von Informationen wird so im Bereich des mutierten Gens unterbrochen.
Man kann sich den genetic pathway auch wie eine Bahnstrecke vorstellen: Gibt es einen Unfall auf der Strecke zwischen Wien und Graz, kann ein Zug von Wien nur bis zur Unfallstelle fahren. Somit ist der durchgehende Verkehr und die Verbindung zwischen Wien und Graz unterbrochen.
Anders als bei einer Bahnstrecke kennt man aber noch längst nicht alle Verbindungen und Wechselwirkungen, die im Zusammenhang mit komplexen Krankheiten auftreten. Dies betrifft besonders seltene Erkrankungen, die oft genetisch bedingt sind. Mit Hilfe von CRISPR können Wissenschafter*innen nun den Einfluss von Krankheiten auf das „Streckennetz“ im menschlichen Körper leichter erforschen.
Quellen:
Tai G, Corben LA, Yiu EM, Milne SC, Delatycki MB. Progress in the treatment of Friedreich ataxia. Neurol Neurochir Pol. 2018 Mar;52(2):129-139. doi: 10.1016/jpjnns.2018.02.003.
Palomo GM, Cerrato T, Gargini R, Diaz-Nido J. Silencing of frataxin gene expression triggers p53-dependent apoptosis in human neuron-like cells. Hum Mol Genet. 2011 Jul 15;20(14):2807-22. doi: 10.1093/hmg/ddr187.
NIH (2018): Friedreich Ataxia Fact Sheet. URL: https://www.ninds.nih.gov/friedreich-ataxia-fact-sheet (Letzter Zugriff: Dezember 2022)
Ouellet DL, Cherif K, Rousseau J, Tremblay JP. Deletion of the GAA repeats from the human frataxin gene using the CRISPR-Cas9 system in YG8R-derived cells and mouse models of Friedreich ataxia. Gene Ther. 2017 May;24(5):265-274. doi: 10.1038/gt.2016.89.
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