Chromosomales Chaos nach Genomeditierung bei Embryonen

Es ist ein herber Rückschlag. Eine Reihe von Genomeditierungsstudien zur Modifizierung menschlicher Embryonen mithilfe der CRISPR/Cas9-Technologie verliefen anders als erwartet. Am oder in der Nähe der Stelle im Genom, die gezielt modifiziert werden sollte, beobachtete man Veränderungen, die nicht geplant waren. Die drei Studien wurden in den letzten Wochen auf dem Preprint-Server »BioRxiv« veröffentlicht und jetzt in einem News-Beitrag von »Nature« kommentiert.

Frühere Studien hatten gezeigt, dass mit dem Einsatz der CRISPR/Cas9-Technologie an menschlichen Embryonen ein Risiko für sogenannte Off-Target-Genmutationen, also für vom Zielort entfernte Veränderungen, verbunden ist. Die aktuellen Studien zeigen, dass diese unerwünschten und gefährlichen Ereignisse am angestrebten Modifikationsort auftreten. Derartige Unregelmäßigkeiten sind mit Standardmethoden leicht zu übersehen und sehr viel schwieriger zu korrigieren als entfernt liegende Genomschäden.

Das sind schlechte Nachrichten für diejenigen, die Keimbahnmanipulationen als eine Art modernen Heilsbringer propagieren. Man kann davon ausgehen, dass diese neuen Erkenntnisse die Entwicklung von Genomeditierungsverfahren an Embryonen deutlich verlangsamen werden. Leidtragende sind Familien, in denen ein Risiko für ein schweres genetisches Leiden bekannt ist. Potenziell korrigierende Verfahren müssen auf absolut sicheren Füßen stehen, da die Genommodifikationen an kommende Generationen weitergegeben werden.

Erste CRISPR/Cas9-Modifikationen an menschlichen Embryonen wurden bereits im Jahr 2015 durchgeführt. Solche Studien sind nach wie vor selten, da sie mit gewaltigen ethischen Vorbehalten belegt sind.

Die jetzt publizierten Arbeiten unterstreichen, wie wenig nach wie vor darüber bekannt ist, welche Auswirkungen eine CRISPR/Cas9-Modifikation auf das embryonale Genom haben kann. Während das Schneiden der DNA heute gut gesteuert werden kann, sehr zielgerichtet erfolgt und das Risiko für Off-Target-Effekte vergleichsweise gering ist, sind On-Target-Effekte offensichtlich das größere Problem. Die nach dem Schnitt des DNA-Doppelstrangs folgenden Reparaturmechanismen sind momentan in einem so komplexen Kontext eines humanen Genoms noch kaum kontrollierbar. Dies demonstrieren die drei vorab publizierten Studien übereinstimmend.

Der erste Vorabdruck wurde am 5. Juni von Forschern um  Gregorio Alanis-Lobato und der Entwicklungsbiologin Dr. Kathy Niakan vom Francis-Crick-Institut in London online gestellt. In dieser Studie setzten die Forscher die CRISPR/Cas9-Technologie ein, um Mutationen im POU5F1-Gen zu erzeugen, ein für die Embryonalentwicklung wichtiges Gen. Von 18 Genom-editierten Embryonen waren bei etwa 22 Prozent unerwünschte Veränderungen nachweisbar, die große Genom-Bereiche um den POU5F1-Locus betrafen. Dazu gehörten DNA-Rearrangierungen und DNA-Deletionen von mehreren tausend Basenpaaren – viel mehr, als dies im Rahmen einer »normalen« DNA-Bruchreparatur erwartet wird.

Eine andere Gruppe unter der Leitung von Michael Zuccaro und dem Stammzellbiologen Professor Dr. Dieter Egli von der Columbia University in New York City untersuchte Embryonen, die mit Spermien erzeugt worden waren, die eine Blindheit verursachende Mutation in einem Gen namens EYS2 trugen. Das Team verwendete CRISPR/Cas9, um diese Mutation zu korrigieren. Allerdings führte dies bei etwa der Hälfte der getesteten Embryonen zu großen Deletionen in dem Chromosom, auf dem das EYS2-Gen liegt. In Einzelfällen ging auch das gesamte Chromosom verloren.

Die dritte Gruppe schließlich untersuchte unter der Leitung von Dan Liang und Professor Dr. Shoukhrat Mitalipov von der Oregon Health & Science University in Portland Embryonen, die eine bestimmte eine Herzerkrankung verursachende Mutation trugen. Dieses Team fand auch Anzeichen dafür, dass zusätzlich zu der beabsichtigen Genomkorrektur große chromosomale Bereiche ungewollte Veränderungen aufwiesen.

Die beobachteten Unregelmäßigkeiten sind das Ergebnis von DNA-Reparaturprozessen, die im Rahmen einer CRISPR/Cas9-Modifikation zwingend ablaufen, um den durch die Nuklease Cas9 gesetzten DNA-Bruch wieder zu kitten. Dass dabei DNA-Bausteine verloren gehen, ist normal und häufig auch gewollt, etwa wenn man das Gen ausschalten will. In dem Maße jedoch nicht erwartet sind Reaktionen, die zu einem so gewaltigen Umbau des Genoms führen.

In früheren Arbeiten an Maus-Embryonen ebenso wie an somatischen menschlichen Zellen war bereits gezeigt worden, dass durch eine CRISPR/Cas-Manipulation große, unerwünschte Chromosomenmodifikationen auftreten können. Nun liegen erstmals auch gut durchgeführte Studien an menschlichen Embryonen vor. Und die Ergebnisse sind alarmierend.

Die Autoren der drei Studien liefern unterschiedliche Erklärungen für die beobachteten DNA-Veränderungen. Die Teams um Egli und Niakan führen den Großteil der in ihren Embryonen beobachteten Veränderungen auf große Deletionen und Rearrangements zurück. Die Gruppe um Mitalipov diskutiert hingegen, dass  bis zu 40 Prozent der von ihr gefundenen Veränderungen durch Genkonversion verursacht wurden. Hier wird im Rahmen eines DNA-Reparaturprozesses eine Sequenz von einem Chromosom eines Chromosomenpaars kopiert, um so das andere homologe Chromosom zu heilen. Aber auch dieser Prozess ist offensichtlich fehleranfällig. Zudem wird dieser Mechanismus in der Fachwelt sehr kontrovers diskutiert.