Gentechnik: Nobelpreis für DNA-Hacking mit Crispr-Cas

Eigentlich schützt Crispr-Cas vor Virus-Attacken. Aber durch Hacking dieses Schutzmechanismus können Biologen nun eigenen Code in Zellen einschleusen.

Artikel veröffentlicht am 7. Oktober 2020, 13:39 Uhr, Frank Wunderlich-Pfeiffer

Die Möglichkeit zum gezielten Schneiden und Editieren von DNA gibt es erst seit 2012. (Bild: Schwedische Akademie der Wissenschaften)

Nur acht Jahre nach der Veröffentlichung ihrer Entdeckung des Gen-Editierungsverfahrens Crispr-Cas werden Emanuelle Charpentier, Leiterin der Max-Planck-Forschungsstelle für die Wissenschaft der Pathogene, und Jennifer Anne Doudna von der Universität von California in Berkeley mit dem Nobelpreis in Chemie ausgezeichnet. Sie sind damit die sechste und siebte Frau, die diesen Preis erhielten.

Crispr steht für "clustered regularly interspaced short palindromic repeats", gemeint sind damit kurze Code-Sequenzen, die erstmals in der DNA von Bakterien auffielen. Vor allem fiel aber auf, dass diese Crisprs immer im Zusammenhang mit bestimmten Genen auftauchen, die genetische Informationen zum Aufbau von Proteinen enthalten und somit wichtig für den Metabolismus der Zelle sind.

Es gibt verschiedene Crispr-Markierungen, aber die generelle Struktur ist immer gleich. Anfang und Ende bildet die Wiederholung einer Sequenz aus Basenpaaren. Dazwischen befindet sich ein kurzer Abschnitt von etwa 30 Basenpaaren, der keine solche Symmetrie hat. Klar war aber, dass die DNA-Abschnitte mit Crispr-Markierungen wichtig waren und sie wurden auch schon damals als Crispr-Assoziierte-Sequenzen (cas) bezeichnet, obwohl die genaue Rolle der Crisprs noch nicht verstanden wurde.

2005 fiel schließlich auf, dass die kurzen Abschnitte in den Crispr-Sequenzen auch in Viren und Bakteriophagen vorkommen, die Bakterien infizieren können. Nur dass Viren mit einer bestimmten Crispr-Sequenz offensichtlich nicht in der Lage waren, ein Bakterium zu infizieren, das schon die entsprechende Crispr-Sequenz in sich trug. Die Markierungen sind also Teil der Abwehr von Angriffen, die die DNA angreifen.

Der Reparatur-Mechanismus der Zelle wurde gehackt

Bei genauerer Untersuchung stellte sich heraus, dass es verschiedene solcher Crispr-Markierungen gibt. Die Funktion von Crispr-Cas9 ist dabei ganz einfach: Es stellt eine Markierung dar, an der die DNA mit Hilfe von angedockten Proteinen aufgetrennt werden kann, sobald sich die bekannte DNA eines Virus in der Zelle aufhält. Dadurch wird die Ausführung des möglicherweise bösartigen Code gestört ("interference"), ausgeschnitten und kann mit Hilfe von Kopien des korrekten Codes wieder repariert werden.

Durch die Untersuchungen des Mechanismus von Charpentier und Doudna gelang es schließlich, diesen Prozess so weit zu verstehen und auszunutzen, dass die DNA an Cas9 und anderen Markierungen gezielt aufgetrennt werden kann und über den Reparaturmechanismus veränderte DNA-Sequenzen in die lebenden Zellen eingeschleust werden können.

Die Möglichkeit zu dieser vergleichsweise schnellen und einfachen Gen-Editierung, auch beim Menschen, hat inzwischen viele Hoffnungen wie auch Befürchtungen geweckt. Die Entdeckung des Mechanismus war aber zweifellos eine preiswürdige wissenschaftliche Arbeit.