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Genome Editing

biochemische Methode zur Entfernung oder Einfügung von DNA
(Weitergeleitet von Multiplex Genome Editing)

Genome Editing oder Genomchirurgie[1], deutsch häufig Genom-Editierung,[2] ist ein Sammelbegriff für molekularbiologische Techniken zur zielgerichteten Veränderung von DNA, einschließlich des Erbguts von Pflanzen, Tieren und Menschen.[3]

Inhaltsverzeichnis

WirkungsweiseBearbeiten

 
Grafik zur anschaulichen Erklärung von Genome Editing

Zum Einführen zielgerichteter Veränderungen im Erbgut von komplexen Organismen werden sogenannte Designer-Endonukleasen eingesetzt.[4] Diese Enzyme schneiden doppelsträngige DNA an einer vorbestimmten Zielsequenz, wodurch Doppelstrangbrüche entstehen.[5] Die Doppelstrangbrüche wiederum aktivieren DNA-Reparatur-Prozesse in der Zelle, wie das Non-homologous end-joining (NHEJ) oder die Homologe Reparatur, die auch als homology directed repair (HDR) bezeichnet wird. Während mittels NHEJ Gene gezielt inaktiviert werden, kann die HDR zum gezielten Einfügen definierter Mutationen oder ganzer DNA-Abschnitte ins Genom herangezogen werden.

Die Zeitschrift Nature Methods kürte das Genome Editing 2011 zur Methode des Jahres.[6]

EnzymeBearbeiten

Zu den häufig verwendeten Klassen von Designer-Nukleasen zählen Zinkfingernukleasen (ZFN), Transcription Activator-like Effector Nucleases (TALENs), die CRISPR/Cas-Methode, das CRISPR/Cpf1-System und Meganukleasen (modifizierte Homing-Endonukleasen).[7][8][9] Die spezifische Erkennung der DNA erfolgt bei der Zinkfingernuklease, der TALEN und der Meganuklease durch einen bestimmten Proteinteil, während sie bei den CRISPR–Systemen durch eine spezifische RNA vermittelt wird.

AnwendungenBearbeiten

Genome Editing wird für gezielte Veränderungen des Genoms von Mikroorganismen (weiße Gentechnik),[10] Pflanzen (grüne Gentechnik),[11] Tieren (rote Gentechnik)[12] und beim Menschen (Gentherapie)[13] eingesetzt. Das Genome Editing kann zum gezielten Zerstören eines Gens (Gen-Knockout), zum Einführen eines Gens an einer spezifischen Stelle im Genom (Gen-Knockin) oder zur Korrektur einer Punktmutation in einem Gen verwendet werden.[3]

Base EditingBearbeiten

Eine neue präzise Methode des Genome Editing besteht darin, einzelne Basen in der DNA-Sequenz zu verändern (Base Editing).[14] Hierbei wird eine mutierte Form der Cas9-Nuklease, die die DNA nicht mehr schneiden kann, mit einer Deaminase gekoppelt. Dieses Fusionsprotein ist in der Lage mit der sgRNA eine gewünschte DNA-Sequenz spezifisch zu erkennen und verändert durch Desaminierung ein Base. Im Falle der Fusion mit Cytidin-Deaminase wird das Cytidin in Uracil umgewandelt, das durch DNA-Reparatur und Replikation mit Thymidin ersetzt wird. Dadurch wird das Basenpaar C-G zu T-A mutiert.[15] Alternativ kann Cas9 mit einer Adenosin-Deaminase gekoppelt werden, so dass das Adenosin in Inosin umgewandelt wird, das nach DNA-Reparatur und Replikation mit Guanosin ersetzt wird. In diesem Fall wird das Basenpaar A-T zu G-C umgewandelt.[16] Die Effizienz des Base Editing liegt zwischen 5 % und 50 % und, da die DNA nicht geschnitten wird, sind unerwünschte Veränderungen weniger häufig.[17]

Regulatorische AspekteBearbeiten

Zurzeit besteht keine einheitliche Meinung, ob Genom-editierte Organismen wie gentechnisch veränderte Organismen (GVO) einzustufen und somit die für GVO geltenden Richtlinien anzuwenden sind. Der Zusammenschluss nationaler Wissenschaftsakademien von Mitgliedsstaaten der Europäischen Union (EASAC) weist darauf hin, dass die Regulation des Genome Editing nicht die Technik als solches erfassen soll, sondern die spezifischen Anwendungen in den einzelnen Fachgebieten.[18] Zur Zeit stehen die möglichen Anwendungen in der Landwirtschaft, aber auch der denkbare Einsatz in der Medizin im Vordergrund.

PflanzenzuchtBearbeiten

Experten aus verschiedenen Ländern haben vorgeschlagen, dass Genom-editierte Pflanzen, sofern sie keine Fremd-DNA enthalten, Pflanzen aus konventioneller Züchtung gleichzustellen sind.[19] Diese Meinung berücksichtigt die Tatsache, dass Genom-editierte Pflanzen häufig sich von konventionell gezüchteten Pflanzen nicht unterscheiden und sie sich auch durch herkömmliche Methoden züchten lassen.

Ein Urteil des Europäischen Gerichtshofs (EuGH) vom 25. Juli 2018 setzt Genom-editierte Pflanzen gentechnisch veränderten Organismen (GVO) gleich. Der Gerichtshof argumentiert, dass durch Genome Editing eine auf natürliche Weise nicht mögliche Veränderung am genetischen Material einer Pflanze vorgenommen werde. Er hält fest, dass Genome Editing nicht der induzierten Mutagenese gleichzusetzen sei, die von den der Regulierung ausgenommen ist, da diese seit Jahrzehnten in der konventionellen Pflanzenzüchtung eingesetzt werde.[20] Diese Beurteilung wird von vielen Wissenschaftlern kritisiert. Sie weisen darauf hin, dass durch Genome Editing eine wesentlich präzisere Veränderung des Genoms erfolgt als dies bei induzierten Mutagenese der Fall ist, bei der durch Strahlung oder genotoxische Chemikalien ziellos Gene verändert werden.[21] So sieht auch die Zentrale Kommission für die Biologische Sicherheit (ZKBS) keine naturwissenschaftliche Grundlage für die Auslegung der GVO-Richtlinie durch den EuGH im Hinblick auf das Genome Editing.[22] In einer Stellungnahme zum EuGH-Urteil weist der Bioökonomierat darauf hin, dass alle Produkte, die mit den neuen Verfahren hergestellt werden, eine sehr aufwendige und teure Zulassungsprozedur durchlaufen müssen. Er plädiert für ein risikobasiertes Genehmigungs- und Zulassungsverfahren.[23] Diese weit verbreitete Kritik des EuGH-Urteils wird allerdings nicht von allen geteilt und widerspiegelt die fundamentale Kontroverse über die Gentechnik im Allgemeinen.[24][25]

In den USA sind eine Reihe von Genom-editierte Pflanzen ohne Auflagen durch die USDA für den kommerziellen Anbau freigegeben worden. Hierbei kann eine Firma vor der Entwicklung der entsprechenden Pflanze bei der USDA abklären, ob eine Regulation notwendig ist oder nicht. Diese Vorabfrage beschleunigt die Entwicklung neuer Pflanzen wesentlich.[26] Ähnliche Bestimmungen gelten unter anderem in Argentinien, Australien, Brasilien und Japan.[27]

Therapie beim MenschenBearbeiten

Die Anwendung des Genome Editing beim Menschen hat im November 2018 durch die Arbeiten des chinesischen Wissenschaftlers He Jiankui allgemeine Bestürzung ausgelöst. Er hat nach eigenen Angaben den CCR5-Rezeptor bei mehreren menschlichen Embryonen deaktiviert, um so die dann geborenen Kinder immun gegen HIV zu machen[28][29]. Das Vorgehen des chinesischen Forschers widerspricht sowohl den internationalen als auch den chinesischen ethischen Richtlinien.[30] Offensichtlich sind weltweit bindende Vorschriften dringend notwendig.[31]

LiteraturBearbeiten

  • S. Chandrasegaran, D. Carroll: Origins of Programmable Nucleases for Genome Engineering. In: Journal of molecular biology. [elektronische Veröffentlichung vor dem Druck] Oktober 2015, doi:10.1016/j.jmb.2015.10.014. PMID 26506267.

WeblinksBearbeiten

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. BBAW: Genomchirurgie beim Menschen. (PDF) S. 10, abgerufen am 2. November 2018.
  2. siehe etwa Genom-Editierung: Patentstreit um Crispr ist entschieden
  3. a b J. Lee u. a.: Designed nucleases for targeted genome editing. In: Plant Biotechnology Journal. 14(2), 2016, s. 448–462. doi:10.1111/pbi.12465
  4. Christien Bednarski, Toni Cathomen: Maßgeschneidertes Genom- Designer-Nukleasen im Einsatz. In: BIOspektrum. 21, 2015, S. 22–24. doi:10.1007/s12268-015-0528-4
  5. R. Wilkinson, B. Wiedenheft: A CRISPR method for genome engineering. In: F1000prime reports. Band 6, 2014, S. 3, ISSN 2051-7599. doi:10.12703/P6-3. PMID 24592315. PMC 3883426 (freier Volltext).
  6. Anonym: Method of the Year 2011. In: Nature methods. Band 9, Nummer 1, Januar 2012, S. 1, ISSN 1548-7105. PMID 22312634.
  7. K. M. Esvelt, H. H. Wang: Genome-scale engineering for systems and synthetic biology. In: Mol Syst Biol. Band 9, Nr. 1, 2013, S. 641, doi:10.1038/msb.2012.66, PMID 23340847, PMC 3564264 (freier Volltext).
  8. W. S. Tan, D. F. Carlson, M. W. Walton, S. C. Fahrenkrug, P. B. Hackett: Precision editing of large animal genomes. In: Adv Genet. Band 80, 2012, S. 37–97, doi:10.1016/B978-0-12-404742-6.00002-8, PMID 23084873, PMC 3683964 (freier Volltext).
  9. H. Puchta, F. Fauser: Gene targeting in plants: 25 years later. In: Int. J. Dev. Biol. Band 57, 2013, S. 629–637, doi:10.1387/ijdb.130194hp.
  10. T. R. Sampson, D. S. Weiss: Exploiting CRISPR/Cas systems for biotechnology. In: Bioessays. 36, 2014, S. 34–38. doi:10.1002/bies.201300135
  11. D. F. Voytas, C. Gao: Precision genome engineering and agriculture: opportunities and regulatory challenges. In: PLOS Biol. 12, 2014, S. e1001877. doi:10.1371/journal.pbio.1001877
  12. G. Laible, J. Wei, S. Wagner: Improving livestock for agriculture – technological progress from random transgenesis to precision genome editing heralds a new era. In: Biotechnol J. 10, 2015, S. 109–112. doi:10.1002/biot.201400193
  13. D. B. Cox, R. J. Platt, F. Zhang: Therapeutic genome editing: prospects and challenges. In: Nature medicine. 21, 2015, S. 121–131. doi:10.1038/nm.3793
  14. Williams. R.: "Better Base Editing in Plants, The Scientist, February 2019". S. 23, abgerufen am 10. Februar 2019.
  15. May, A. (2017). "Base editing on the rise." Nat Biotechnol 35(5): 428-429.doi:10.1038/nbt.387
  16. Gaudelli, N. M., et al. (2017). "Programmable base editing of A*T to G*C in genomic DNA without DNA cleavage." Nature 551(7681): 464-471.doi:10.1038/nature24644
  17. Kim, J. S. (2018). "Precision genome engineering through adenine and cytosine base editing." Nat Plants 4(3): 148-151.doi:10.1038/s41477-018-0115-z
  18. Fears, R. and V. Ter Meulen (2017). "How should the applications of genome editing be assessed and regulated?" Elife 6: e26295.doi:10.7554/eLife.26295
  19. Huang, S., et al. (2016). "A proposed regulatory framework for genome-edited crops." Nat Genet 48(2): 109-111.doi:10.1038/ng.3484
  20. Gerichtshof der Europäischen Union: Durch Mutagenese gewonnene Organismen sind genetisch veränderte Organismen (GVO) und unterliegen grundsätzlich den in der GVO-Richtlinie vorgesehenen Verpflichtungen. Abgerufen am 13. Februar 2019.
  21. Ehrenhofer-Murray, A. (2018). "Chance verpasst; ein rückwärtsgewandtes Urteil des EuGH zu Genom-editierten Organismen." BIOspektrum 24(575).doi:10.1007/s12268-018-0959-9
  22. ZKBS: Genome Editing - Auswirkungen des EuGH-Urteils auf die Pflanzenzüchtung. Abgerufen am 13. Februar 2019.
  23. Bioökonomierat: Genome Editing: Europa benötigt ein neues Gentechnikrecht. In: BÖRMEMO 07. 19. Januar 2019, abgerufen am 13. Februar 2019.
  24. Gelinsky, E. and A. Hilbeck (2018). "European Court of Justice ruling regarding new genetic engineering methods scientifically justified: a commentary on the biased reporting about the recent ruling." Environmental Sciences Europe 30(1): 52.doi:10.1186/s12302-018-0182-9
  25. IG Saatgut: Interessengemeinschaft für gentechnikfreie Saatgutarbeit: Neue Gentechnik: Präzise, sicher und unentbehrlich?! Abgerufen am 26. Februar 2019.
  26. Waltz, E. (2018). "With a free pass, CRISPR-edited plants reach market in record time." Nat Biotechnol 36(1): 6-7.doi:10.1038/nbt0118-6b
  27. Jansson, S. (2018). "Gene-edited plants: What is happening now?" Physiol Plant 164(4): 370-371.doi:10.1111/ppl.12853
  28. ZEIT online: Emmanuelle Charpentier:Crispr-Entdeckerin kritisiert Genversuche an Babys. Abgerufen am 20. Februar 2019.
  29. Lovell-Badge, R. (2019). "CRISPR babies: a view from the centre of the storm." Development 146(3).doi:10.1242/dev.175778
  30. Krimsky, S. (2019). "Ten ways in which He Jiankui violated ethics." Nature Biotechnology 37: 19.doi:10.1038/nbt.4337
  31. Cohen, J. (2018). "What now for human genome editing?" Science 362(6419): 1090-1092.doi:10.1126/science.362.6419.1090