Was ist genetische Modifikation?
Die verschiedenen Länder und Organisationen definieren genetische Modifikation (GM) leicht unterschiedlich. Im Allgemeinen bezieht sich die Gentechnik auf die Veränderung der genetischen Information eines Lebewesens, die durch natürliche Paarung oder Fortpflanzung nicht möglich wäre. Dabei werden in der Regel biotechnologische Methoden wie „rekombinante DNA“, „Gen-Targeting“ oder „Genome Editing“ eingesetzt, um die DNA eines Organismus hinzuzufügen, zu löschen oder auf andere Weise zu verändern. Bei der genetischen Veränderung kann auch genetisches Material zwischen verschiedenen Arten ausgetauscht werden.
Genetisch veränderte Organismen (GVO), einschließlich Mikroben, Zellen, Pflanzen und Tiere, werden seit langem in der wissenschaftlichen und medizinischen Forschung eingesetzt, um biologische Prozesse und die Mechanismen von Krankheiten zu verstehen. Der Einsatz von Gentechnologien zur Behandlung von Krankheiten oder anderen Veränderungen beim Menschen, die so genannte „Gentherapie“, wird seit den 1990er Jahren erprobt. Weniger als eine Handvoll dieser Behandlungen wurden bisher von Sicherheits- und Aufsichtsbehörden wie der US Food and Drug Administration zugelassen.
Die Anwendung der Gentherapie zur direkten Behandlung der genetischen Ursachen von Krankheiten ist seit langem ein Wunsch von Ärzten, Wissenschaftlern und Patienten. Bei einigen Krankheiten, wie z.B. Mukoviszidose oder Sichelzellenanämie, ist relativ gut bekannt, dass sie durch Varianten in einzelnen Genen verursacht werden. In diesen Fällen besteht die Hoffnung, dass, wenn das krankheitsverursachende Gen korrigiert oder ersetzt werden kann, es möglich ist, die Betroffenen zu heilen oder zumindest eine Verschlimmerung der Krankheit zu verhindern. Schwieriger ist die Gentherapie jedoch bei komplexeren Erkrankungen wie Herzkrankheiten, Diabetes oder vielen Krebsarten, die aus dem Zusammenspiel vieler Gene sowie zwischen den Genen und der Umwelt resultieren.
Um Krankheiten bei einem Menschen nach der Geburt gentherapeutisch behandeln zu können, muss unter Umständen ein erheblicher Teil der Zellen in den betreffenden Geweben oder Organen verändert werden. Dies stellt eine technische Herausforderung dar, wenn es darum geht, die Veränderungsmaschinerie und/oder alternative Versionen von Genen sicher und effektiv in die Zielzellen einzubringen und die Veränderungen am Genom der Zellen mit minimalen Fehlern erfolgreich durchzuführen. Wenn die Veränderung an der „Keimbahn“ (einschließlich der reproduktiven Zellen sowie der Zellen in frühen Embryonalstadien) vorgenommen wird, erben alle Zellen im Körper der nachfolgenden Generationen diese Veränderung sowie jeden Fehler oder jede unerwartete Veränderung, die während des Prozesses vorgenommen wurde.
Was ist CRISPR?
Seit den späten 2000er Jahren haben Wissenschaftler begonnen, Techniken zu entwickeln, die als „Genom- (oder Gen-) Editing“ bekannt sind. Die Genom-Editierung ermöglicht es Wissenschaftlern, Änderungen an einer bestimmten „Zielstelle“ im Genom vorzunehmen. Eine der Techniken, die aufgrund ihrer Effizienz und einfachen Anwendung am meisten Aufsehen erregt hat, heißt „CRISPR“. CRISPR steht für „clustered regularly interspaced short palindromic repeats“. Die Grundlage der CRISPR-Technologie ist ein System, das Bakterien entwickelt haben, um sich gegen Viren zu schützen. Wissenschaftler haben nun Komponenten des CRISPR-Systems in ein Werkzeug für die Genom-Editierung umgewandelt.
Das CRISPR-System besteht aus zwei Komponenten: einem Molekül, das als „guide RNA“ (gRNA) bekannt ist und die gleiche Sequenz wie die Zielstelle im Genom hat, und einer „Nuklease“ (d. h. einem DNA-schneidenden Molekül) namens Cas9. Wenn diese beiden Komponenten in eine Zelle eingebracht werden, bindet die gRNA durch komplementäre Basenpaarung an die Zielstelle im Genom (d. h. A’s binden an T’s und G’s binden an C’s). Dabei hilft die gRNA, Cas9 an die Zielstelle zu bringen, um einen Schnitt in die DNA-Doppelhelix zu machen. Der natürliche DNA-Reparaturmechanismus der Zelle wird diese Lücke schließen, aber da der Prozess nicht perfekt ist, werden einige DNA-Basen hinzugefügt oder gelöscht. Dadurch wird das ursprüngliche Gen – z. B. eine Genvariante, die mit Krebs oder einer HIV-Infektion in Zusammenhang steht – funktionsunfähig. Alternativ kann auch eine andere Version des Zielgens zusammen mit der gRNA und Cas9 in die Zelle eingebracht werden. Die Zelle verwendet dann diese alternative Sequenz als „Vorlage“, um die beschädigte DNA zu reparieren, indem sie sie kopiert und in das Genom einbaut. Auf diese Weise könnte eine unerwünschte Version des Gens durch eine erwünschte Kopie ersetzt werden.
Die jüngsten wissenschaftlichen Durchbrüche haben die Möglichkeit des „Editierens“ des Genoms zur Reparatur krankheitsverursachender genetischer Varianten in greifbare Nähe gerückt. Auch wenn die Entwicklung noch in den Kinderschuhen steckt, besteht die Hoffnung, dass Gen-Editing-Technologien eines Tages eine Heilung für genetische Krankheiten wie Sichelzellenanämie, Mukoviszidose oder Chorea Huntington ermöglichen und Menschen in die Lage versetzen, Virusinfektionen (z. B. HIV) besser zu bekämpfen.
CRISPR und Keimbahn-Editing
Forscher haben CRISPR in Zellen von Menschen, Pflanzen und Tieren eingesetzt; tatsächlich hat CRISPR bei allen bisher untersuchten Arten funktioniert. Insbesondere wurde die CRISPR-Technologie eingesetzt, um die Symptome einer erwachsenen Maus mit einer Lebererkrankung rückgängig zu machen und die DNA in nicht-menschlichen Primaten zu verändern – wichtige Schritte zur Entwicklung neuer Gentherapien beim Menschen. Während genetische Veränderungen, die in eine Leberzelle eingebracht werden, nicht in das Genom zukünftiger Nachkommen des Individuums vererbt werden, können DNA-Veränderungen, die in die Zellen, die zu Ei- oder Samenzellen werden, oder in die Zellen in frühen Embryonalstadien eingebracht werden, an zukünftige Generationen weitergegeben werden. Dies wird als Keimbahn-Editierung bezeichnet, und ihre Aussichten haben weltweit zu Diskussionen und Debatten darüber geführt, ob die genetische Veränderung der Keimbahn beim Menschen angemessen ist und ob oder wie die Gesellschaft mit dieser Forschung und ihrer möglichen Anwendung fortfahren sollte.
Auf der einen Seite betonen Kritiker sowohl die technischen als auch die ethischen Probleme bei der Veränderung des Genoms, die an die Nachkommen weitergegeben werden können. Es wird befürchtet, dass unvorhergesehene Auswirkungen des Editing-Prozesses vererbt werden können. Es werden auch andere Fragen gestellt: Haben wir das Recht, das Genom unserer zukünftigen Generationen zu verändern? Würde das Editing bestimmter Krankheiten oder Behinderungen zu einer Stigmatisierung von Menschen führen, die mit diesen Erkrankungen leben? Und wer entscheidet, welche Krankheiten oder Behinderungen bearbeitet werden sollten? Gleichzeitig argumentieren die Befürworter, dass durch die Veränderung der Keimbahn Krankheiten wie die Huntington-Krankheit, eine schwächende neurologische Erkrankung, die durch eine einzige Genvariante verursacht wird, möglicherweise beseitigt werden können. Sie argumentieren auch, dass der Mensch schon seit langem das Leben und die Genetik seiner Nachkommen ohne deren ausdrückliche Zustimmung durch Verfahren wie genetische Beratung und Präimplantationsdiagnostik verändert.
Im Dezember 2015 luden die Nationalen Akademien der USA, die Königliche Akademie des Vereinigten Königreichs und die Chinesische Akademie der Wissenschaften Wissenschaftler, Sozialwissenschaftler, Ethiker und andere Interessenvertreter zu einem internationalen Gipfeltreffen zum Thema Human Gene Editing nach Washington, DC ein. In einer am Ende des Gipfels veröffentlichten Erklärung wurde betont, dass es zum jetzigen Zeitpunkt „unverantwortlich“ wäre, mit der klinischen Anwendung des Keimbahn-Editings fortzufahren, aber es wurde nicht empfohlen, die Technik zu verbieten, sondern stattdessen vorgeschlagen, dass die Forschung fortgesetzt werden sollte. Im Februar 2017 veröffentlichte der Expertenausschuss der Nationalen Akademien der USA zum Human Genome Editing seinen Bericht, in dem er empfiehlt, dass die Erforschung und Nutzung des somatischen Genome Editing für medizinische Behandlungen im Rahmen des bestehenden Rechtsrahmens fortgesetzt werden sollte, dass aber vor einer Ausweitung der Anwendung der Technologie auf „genetisches Enhancement“ eine „breite öffentliche Beteiligung“ erfolgen sollte. Gleichzeitig empfiehlt der Bericht, dass klinische Versuche für Keimbahn-Genom-Editierung zur Behandlung von „schweren Krankheiten oder Behinderungen“ erst nach weiteren Forschungsarbeiten und nur dann durchgeführt werden sollten, wenn strenge technische und ethische Kriterien erfüllt sind. Für die Zukunft betont der Bericht die Notwendigkeit eines kontinuierlichen öffentlichen Engagements und einer politischen Debatte.
Gegenwärtig ist die genetische Veränderung der Keimbahn in vielen europäischen Ländern und in Kanada illegal, und in den Vereinigten Staaten können keine Bundesmittel für solche Arbeiten verwendet werden. Seit Januar 2017 haben Forscher im Vereinigten Königreich, in Schweden und in China die Genehmigung erhalten, Gen-Editing an menschlichen Embryonen ausschließlich zu Forschungszwecken durchzuführen (außerdem erlauben die bestehenden Gesetze oder Richtlinien in diesen Ländern nur die Forschung an Embryonen bis zu 14 Tagen nach der Befruchtung).
Im November 2018 wurde in China berichtet, dass die ersten Kinder, deren Genom mit CRISPR im Embryonalstadium bearbeitet wurde, ein Zwillingspaar, geboren wurden. Obwohl die Behauptungen noch nicht von unabhängiger Seite bestätigt oder in von Experten begutachteten Fachzeitschriften veröffentlicht worden sind, haben sie eine heftige Kontroverse ausgelöst. Im Jahr 2019 werden Wissenschaftler, Ethiker und die breite Gesellschaft weiterhin über den weiteren Weg diskutieren.
CRISPR und die Umwelt
CRISPR hat auch einen Weg eröffnet, die Welt um uns herum zum Nutzen der menschlichen Gesundheit und unserer Umwelt zu verändern. Zu den Anwendungen gehört die Möglichkeit, krankheitsübertragende Insekten wie Moskitos zu verändern oder sogar auszurotten. Es könnte auch möglich sein, längst ausgestorbene Tiere wie das Wollhaarmammut wieder auf der Erde heimisch werden zu lassen, was nach Ansicht einiger Wissenschaftler zur Bekämpfung des Klimawandels beitragen könnte. Allerdings sind nicht alle der Meinung, dass diese Anwendungen notwendigerweise einen „Nutzen“ darstellen, während andere sich Sorgen über unbeabsichtigte Folgen dieser das Ökosystem verändernden Maßnahmen machen.
Der Weg in die Zukunft
Gene Editing hat ein erhebliches Potenzial, der menschlichen Gesundheit zu nutzen. Gleichzeitig wirft es tiefgreifende Fragen auf, die eine öffentliche Diskussion erfordern – was ist, wenn wir Veränderungen vornehmen, die wir bereuen? Was ist, wenn sich scheinbar sichere genetische Veränderungen als unbeabsichtigte Folgen erweisen? Welches sind die Sicherheitsstandards, wenn die medizinische Gemeinschaft versucht, diese Instrumente zu erforschen, um das Leiden zu verringern? Wenn wir uns als Gesellschaft einig sind, dass der Einsatz von Genom-Editing akzeptabel ist, wie stellen wir dann sicher, dass alle Menschen über die Möglichkeiten dieser Technologien Bescheid wissen und dass jeder, der Zugang zu diesen Technologien haben möchte, sich diese auch leisten kann? Forscher, Bioethiker und politische Entscheidungsträger, darunter auch einige der Wissenschaftler, die Pionierarbeit bei CRISPR geleistet haben, haben zur Vorsicht und zur Notwendigkeit einer öffentlichen Konsultation und eines Dialogs aufgerufen, an dem auch religiöse Führer, Umweltaktivisten und Vertreter von Patienten und Menschen mit Behinderungen beteiligt sind. Da die Gesellschaft ein Gleichgewicht zwischen dem Wunsch, die Vorteile der Genmanipulation zu nutzen, und einer Vielzahl anderer Anliegen sucht, hofft pgEd, eine Rolle bei der Erleichterung breiter Gespräche zu spielen, die alle Gemeinschaften einbeziehen und sicherstellen, dass verschiedene Werte und Stimmen gehört werden.
Weitere Informationen zu den technischen und politischen Fragen rund um CRISPR und Genom-Editierung finden Sie hier.
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Sharon Begley, „No red line against CRISPR’ing early embryos, experts rule“ (STAT, Februar 2017)
David Cyranoski, „CRISPR gene-editing tested in a person for the first time“ (Nature, November 2016)
Antonio Regalado, „Meet the Moralist Policing Gene Drives, a Technology That Messes with Evolution“ (MIT Technology Review, Juni 2016)
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Ed Yong, „What Can You Actually Do With Your Fancy Gene-Editing Technology?“ (The Atlantic, Dezember 2015)
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Andrew Pollack, „A Powerful New Way to Edit DNA“ (New York Times, März 2014)