Es wurden drei wissenschaftliche Artikel veröffentlicht, in denen die Autoren über großflächige Ausfälle von genetischem Chromosomenmaterial und DNA-Umlagerungen berichten. Die Ergebnisse der Wissenschaftler, so der Artikel, verstärken die Besorgnis über die Sicherheit von Genom-Editing-Technologien.
Als Ergebnis einer Reihe von Experimenten, bei denen die Modifikation menschlicher Embryonen unter Verwendung des Gen-Editing-Tools CRISPR-Cas9 durchgeführt wurde, haben Wissenschaftler festgestellt, dass diese Technologie signifikante und unerwünschte Veränderungen im Genom an oder nahe der Zielstelle des Genoms bewirken kann.
Die Ergebnisse der Studie wurden diesen Monat auf dem Preprint-Server von bioRxiv veröffentlicht, wurden jedoch noch nicht von Experten begutachtet. Die veröffentlichten Artikel liefern jedoch einen guten Hinweis darauf, dass einige Wissenschaftler der Ansicht sind, dass bei der Bearbeitung des Genoms mit CRISPR-Cas9 ein unterschätztes Risiko besteht. Frühere Experimente haben gezeigt, dass dieses Editierwerkzeug in der Lage ist, Nebengenmutationen in beträchtlicher Entfernung von der Ziel-DNA-Stelle zu verursachen. Neuere Studien haben jedoch Veränderungen gezeigt, die in Bereichen neben dieser Stelle auftreten und mit Standardmethoden möglicherweise nicht bemerkt werden.
„Für uns sind präzise Auswirkungen wichtiger. Sie sind danach viel schwieriger zu beseitigen “, sagt Gaétan Burgio, Genetiker an der Australian National University in Canberra.
Sicherheitsbedenken dürften ein Hauptthema der laufenden Debatte darüber sein, ob Wissenschaftler Technologien zur Bearbeitung menschlicher Embryonen einsetzen können, um genetische Krankheiten zu verhindern. Die Einstellung zu dieser Technologie wirft viele Fragen auf, da sie irreversible Veränderungen im Genom hervorruft, die dann von Generation zu Generation an Nachkommen weitergegeben werden. "Wenn die Technologie der Bearbeitung menschlicher Embryonen für Fortpflanzungszwecke oder der Bearbeitung der sogenannten Keimbahn mit dem ersten bemannten Flug in den Weltraum verglichen werden kann, können die neuen Daten, die Wissenschaftler erhalten haben, mit einer Raketenexplosion auf der Startrampe unmittelbar vor dem Start verglichen werden", sagt Fjodor Urnow von Universität von Kalifornien, Berkeley,Wer studiert Genom-Editing (Fedor Urnov hat an keiner der oben genannten Studien teilgenommen).
Unerwünschte Effekte
Die Wissenschaftler führten bereits 2015 die ersten Experimente mit CRISPR durch, um menschliche Embryonen zu bearbeiten. Seitdem haben mehrere wissenschaftliche Gruppen auf der ganzen Welt begonnen, diese Technologie für eine präzise Geneditierung zu untersuchen. Eine solche Forschung ist jedoch immer noch selten und in der Regel stark reguliert.
Werbevideo:
Laut Mary Herbert, einer Reproduktionsbiologin an der Newcastle University in Großbritannien, wird in einer kürzlich durchgeführten Studie Folgendes hervorgehoben: Wissenschaftler wissen wenig darüber, wie menschliche Embryonen DNA-Schnitte reparieren, die mit Genom-Editing-Tools geschnitten wurden (Dies ist ein wichtiger Schritt bei der Bearbeitung mit CRISPR-Cas9). „Wir müssen genau verstehen, was dort vor sich geht, bevor wir DNA-schneidende Enzyme verwenden“, fügt Mary Herbert hinzu.
Der erste Preprints wurde am 5. Juni online von der Entwicklungsbiologin Kathy Niakan vom Francis Crick Institute in London und ihren Kollegen veröffentlicht. In ihrer Studie verwendeten die Forscher CRISPR-Cas9, um Mutationen im POU5F1-Gen zu erzeugen, die einen großen Einfluss auf die Embryonalentwicklung haben. Von den 18 bearbeiteten Embryonen enthielten etwa 22% unerwünschte Veränderungen, die große DNA-Regionen neben dem POU5F1-Gen betrafen. Insbesondere wurde eine Umlagerung von DNA-Regionen und große Deletionen von mehreren tausend DNA-Nukleotiden beobachtet - und dies ist viel mehr, als unter Wissenschaftlern, die diesen Ansatz verwenden, normalerweise angenommen wird.
Ein anderes Forscherteam unter der Leitung des Stammzellbiologen Dieter Egli von der Columbia University in New York untersuchte Embryonen, die von Spermien produziert werden, die das EYS-Gen mutieren (diese Mutation führt zur Erblindung). Wissenschaftler versuchten, diese Mutation mit CRISPR-Cas9 zu korrigieren, aber etwa die Hälfte aller getesteten Embryonen verlor große Teile ihres Chromosoms (und in einigen Fällen das gesamte Chromosom), auf dem sich das EYS-Gen befindet.
Schließlich untersuchte eine dritte Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung des Reproduktionsbiologen Shoukhrat Mitalipov von der Oregon Health and Science University in Portland Embryonen, die mit Spermien hergestellt wurden, die eine Mutation tragen, die Herzkrankheiten verursacht. Die Wissenschaftler dieses Teams scheinen auch davon überzeugt zu sein, dass die Bearbeitung des Genoms große Regionen des Chromosoms betrifft, die das modifizierte Gen enthalten.
Bei all ihren Forschungen verwendeten die Wissenschaftler Embryonen nur zu wissenschaftlichen Zwecken und nicht, um eine Schwangerschaft auszulösen. Die führenden Autoren dieser drei wissenschaftlichen Studien, deren Ergebnisse sich in den Preprints widerspiegeln, lehnten es ab, ihre Arbeit ausführlich mit der Nachrichtenabteilung der Zeitschrift Nature zu besprechen, bis ihre Artikel in von Experten begutachteten Fachzeitschriften veröffentlicht wurden.
Unvorhersehbare Wiedergutmachung
Alle aufgezeichneten Änderungen ergeben sich aus der DNA-Reparatur, die mit Genom-Editing-Tools durchgeführt wird. CRISPR-Cas9 verwendet einen kleinen RNA-Strang, um das Cas9-Enzym an eine Stelle mit einer ähnlichen Sequenz zu lenken. Das Enzym schneidet dann beide DNA-Stränge an dieser Stelle und die Zellreparatursysteme schließen diese Lücke.
Die Bearbeitung erfolgt nur während der Reparatur: Meistens schließt die Zelle diese Lücke fest mit einem Mechanismus, der in der Lage ist, eine kleine Menge von DNA-Nukleotiden einzufügen oder zu entfernen. Dieser Mechanismus funktioniert jedoch mit Fehlern. Wenn Wissenschaftler eine DNA-Vorlage einfügen, kann die Zelle diese Sequenz manchmal verwenden, um den Bruch zu reparieren, was zu einem korrekten Umschreiben führt. Die geschnittene DNA kann jedoch auch große Stücke des Chromosoms mischen oder verlieren.
Frühere Arbeiten mit der CRISPR-Technologie in Mausembryonen und anderen Arten menschlicher Zellen haben gezeigt, dass die Bearbeitung von Chromosomen erhebliche unerwünschte Auswirkungen haben kann. Laut Urnov war es für Wissenschaftler jedoch wichtig, ihre Ansätze in menschlichen Embryonen zu demonstrieren, da verschiedene Zelltypen unterschiedlich auf die Bearbeitung des Genoms reagieren können.
Eine solche Umlagerung von DNA-Regionen wurde möglicherweise in vielen Experimenten übersehen, in denen Wissenschaftler normalerweise versuchen, Beispiele für unerwünschte Bearbeitung zu finden, beispielsweise eine Änderung in einem DNA-Nukleotid oder kleine Insertionen oder Deletionen kleiner Fragmente von Nukleotiden. In jüngsten Experimenten wurden jedoch spezifisch große Deletionen und chromosomale Umlagerungen in der Nähe der Zielstelle speziell untersucht. "Und die wissenschaftliche Gemeinschaft wird die erzielten Ergebnisse noch ernster nehmen als zuvor", sagt Urnov. "Diese Ergebnisse sind überhaupt nicht zufällig."
Genetische Veränderungen
Die Forschungsteams, die die drei oben beschriebenen Studien durchgeführt haben, haben den Mechanismus, der den Umlagerungen innerhalb der DNA zugrunde liegt, unterschiedlich erklärt. Zum Beispiel glauben die Forschungsteams von Egli und Nyakan, dass die meisten bei Embryonen beobachteten Veränderungen auf große Deletionen und Umlagerungen von DNA-Regionen zurückzuführen sind. Mitalipovs Gruppe gab jedoch an, dass bis zu 40% der festgestellten Veränderungen durch die sogenannte Genumwandlung verursacht wurden, bei der infolge von DNA-Reparaturprozessen eine Sequenz von einem Chromosom in einem Paar kopiert wird, um ein anderes zu reparieren.
Mitalipov und seine Kollegen berichteten bereits 2017 über ähnliche Ergebnisse, aber einige Wissenschaftler waren skeptisch, dass die Genumwandlung bei Embryonen häufig ist. Die Wissenschaftler stellten Folgendes fest: Erstens befinden sich die mütterlichen und väterlichen Chromosomen während der Genumwandlung nicht nebeneinander, und zweitens könnten die vom Forscherteam zur Bestimmung der Genumwandlung verwendeten Analysen andere chromosomale Veränderungen, einschließlich Deletionen, aufdecken.
Egli und seine Kollegen wollten in ihrem Preprint das Vorhandensein einer Genumwandlung direkt experimentell überprüfen, konnten es jedoch nicht nachweisen. Burjo merkt an, dass die in Mitalipovs Preprint beschriebenen Experimente denen ähneln, die sein Forschungsteam 2017 durchgeführt hat. Laut Jin-Soo Kim, einem Genetiker an der Seoul National University und Mitautor des Mitalipov-Preprint, können DNA-Brüche in verschiedenen Teilen des Chromosoms auf andere Weise korrigiert werden - dies ist seiner Meinung nach eine der möglichen Lösungen für dieses Problem …
