Die Bearbeitung der Gene des menschlichen Embryos kann unbeabsichtigte Folgen für die menschliche Gesundheit und die Gesellschaft insgesamt haben. Als ein chinesischer Wissenschaftler diese Methode einsetzte, um Kinder resistenter gegen HIV zu machen, verurteilten viele den Schritt daher schnell als verfrüht und unverantwortlich. Die Natur fragte die Forscher, was verhindert, dass dieses Verfahren als akzeptable klinische Praxis angesehen wird.
Versuche, vererbbare Veränderungen im menschlichen Genom vorzunehmen, wurden kontrovers diskutiert. Folgendes müssen Sie tun, um diese Technik sicher und akzeptabel zu machen.
Sechs Monate nach der Hochzeit beschlossen Jeff Carroll und seine Frau, keine Kinder zu haben. Carroll, ein 25-jähriger ehemaliger Unteroffizier der US-Armee, hat gerade erfahren, dass er eine Mutation hat, die Huntington-Chorea verursacht, eine genetische Störung, die das Gehirn und das Nervensystem zerstört und ausnahmslos zum vorzeitigen Tod führt. Vor ungefähr vier Jahren wurde bei seiner Mutter die Krankheit diagnostiziert, und jetzt hat er erfahren, dass auch er mit ziemlicher Sicherheit krank werden wird.
Angesichts einer 50% igen Chance, das gleiche Schicksal an ihre Kinder weiterzugeben, entschied das Paar, dass Kinder nicht in Frage kamen. "Wir haben gerade das Thema geschlossen", sagt Carroll.
Während er noch in der Armee war, begann er Biologie zu studieren, in der Hoffnung, seine Krankheit besser zu verstehen. Er erfuhr, dass es ein Verfahren wie die genetische Präimplantationsdiagnose oder PID gibt. Carroll und seine Frau konnten die Möglichkeit einer Mutationsübertragung durch In-vitro-Fertilisation (IVF) und Embryodiagnostik praktisch ausschließen. Sie beschlossen, ihr Glück zu versuchen, und 2006 hatten sie Zwillinge ohne Huntington-Mutation.
Carroll ist jetzt Forscher an der Western Washington University in Bellingham, wo er eine andere Technik anwendet, die Paaren in seiner Notlage helfen könnte: die genomische Bearbeitung von CRISPR. Er hat dieses leistungsstarke Werkzeug bereits verwendet, um die Expression des für die Huntington-Krankheit verantwortlichen Gens in Mauszellen zu verändern. Da die Chorea von Huntington nur von einem Gen verursacht wird und ihre Folgen so verheerend sind, wird diese Krankheit häufig als Beispiel für eine Situation angeführt, in der die Geneditierung im menschlichen Embryo - ein Verfahren, das Veränderungen verursachen kann, die von zukünftigen Generationen geerbt werden und daher umstritten sind - tatsächlich sein kann gerechtfertigt. Die Aussicht, CRISPR zur Veränderung dieses Gens in menschlichen Embryonen einzusetzen, beunruhigt Carroll jedoch immer noch. "Dies ist ein großer Meilenstein", sagt er. - Ich verstehe,dass die Leute es so schnell wie möglich weitergeben wollen - auch ich. Aber in dieser Angelegenheit müssen alle Ambitionen fallen gelassen werden. " Das Verfahren kann unvorhergesehene Folgen für die menschliche Gesundheit und die gesamte Gesellschaft haben. Es wird Jahrzehnte der Forschung dauern, bis die Technologie sicher ist, sagte er.
Die öffentliche Meinung über die Bearbeitung von Genen zur Vorbeugung von Krankheiten ist im Allgemeinen positiv. Aber Carrolls Zurückhaltung wird von vielen Wissenschaftlern geteilt. Als letztes Jahr die Nachricht kam, dass ein chinesischer Biophysiker die Genombearbeitung einsetzte, um Kinder resistenter gegen HIV zu machen, verurteilten viele Wissenschaftler den Schritt schnell als verfrüht und verantwortungslos.
Seitdem haben mehrere Forscher und wissenschaftliche Gesellschaften ein Moratorium für die Bearbeitung des vererbten menschlichen Genoms gefordert. Ein solches Moratorium wirft jedoch eine wichtige Frage auf, sagt der Embryologe Tony Perry von der University of Bath, UK. "Wann kann es entfernt werden?", Sagt er. - Welche Voraussetzungen müssen dafür erfüllt sein?
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Die Natur fragte Forscher und andere interessierte Parteien, was genau verhindert, dass die Bearbeitung von Erbgenen als akzeptable klinische Methode angesehen wird. Einige wissenschaftliche Probleme können wahrscheinlich überwunden werden, aber es kann notwendig sein, die Praxis klinischer Studien zu ändern und einen breiteren Konsens über die Technologie für eine zu zertifizierende Methode zu finden.
Hinter dem Ziel: Wie viele „Fehler“können Sie machen?
Die Bearbeitung des Genoms ist technisch herausfordernd, aber was am meisten Aufmerksamkeit auf sich gezogen hat, ist das Potenzial für unerwünschte genetische Veränderungen, sagt Martin Pera, Stammzellforscher im Labor von Jackson's Bar Harbor, Maine. Dies sei jedoch das Problem, das wahrscheinlich am einfachsten zu lösen sei.
Die beliebteste Methode zur Bearbeitung von Genen ist das CRISPR-Cas9-System. Der Mechanismus selbst ist von einigen Bakterien entlehnt, die ihn zur Abwehr von Viren verwenden, indem sie DNA mit dem Cas9-Enzym schneiden. Ein Wissenschaftler kann ein Stück RNA verwenden, um Cas9 auf eine bestimmte Region im Genom zu lenken. Wie sich jedoch herausstellt, schneiden Cas9 und ähnliche Enzyme DNA an anderen Stellen, insbesondere wenn es DNA-Sequenzen im Genom gibt, die dem gewünschten Ziel ähnlich sind. Diese "seitlichen" Einschnitte können zu gesundheitlichen Problemen führen, beispielsweise kann die Veränderung eines Gens, das das Tumorwachstum hemmt, zu Krebs führen.
Forscher haben versucht, Alternativen zum Cas9-Enzym zu entwickeln, die möglicherweise weniger fehleranfällig sind. Sie entwickelten auch Versionen von Cas9, die eine niedrigere Fehlerrate ergeben.
Die Fehlerrate hängt davon ab, auf welche Region des Genoms das Enzym abzielt. Viele Gen-Editing-Enzyme wurden nur an Mäusen oder menschlichen Zellen untersucht, die in Kultur gezüchtet wurden, nicht an menschlichen Embryonen. Die Fehlerrate kann in Maus- und menschlichen Zellen sowie in reifen und embryonalen Zellen unterschiedlich sein.
Die Fehleranzahl muss nicht Null sein. Eine kleine Menge von DNA-Veränderungen tritt natürlich jedes Mal auf, wenn sich eine Zelle teilt. Einige sagen, dass bestimmte Hintergrundänderungen akzeptabel sein können, insbesondere wenn die Methode zur Vorbeugung oder Behandlung einer schweren Krankheit angewendet wird.
Einige Forscher glauben, dass die CRISPR-Fehlerrate bereits niedrig genug ist, sagt Perry. "Aber - und ich denke, das ist ein ziemlich großes" aber "- wir haben die Besonderheiten der Bearbeitung menschlicher Eier und Embryonen noch nicht herausgefunden", sagte er.
Ziel, aber nicht so: Wie genau sollte die genomische Bearbeitung sein?
Ein größeres Problem als Nebenwirkungen können DNA-Veränderungen sein, die gezielt, aber unerwünscht sind. Nachdem Cas9 oder ein ähnliches Enzym die DNA geschnitten hat, bleibt die Zelle übrig, um die Wunde zu heilen. Zellreparaturprozesse sind jedoch nicht vorhersehbar.
Eine Form der DNA-Reparatur oder -Reparatur ist die nicht homologe Endanlagerung, bei der einige der DNA-Buchstaben beim Schnitt entfernt werden - ein Prozess, der nützlich sein kann, wenn der Zweck der Bearbeitung darin besteht, die Expression eines mutierten Gens auszuschalten.
Eine andere Form der Reparatur, die als homologe Reparatur bezeichnet wird, ermöglicht es Forschern, die DNA-Sequenz neu zu schreiben, indem sie eine Probe bereitstellen, die an der Stelle des Schnitts kopiert wird. Es kann verwendet werden, um einen Zustand wie Mukoviszidose zu korrigieren, der normalerweise durch eine Deletion (Verlust eines Teils eines Chromosoms) im CFTR-Gen verursacht wird.
Beide Prozesse sind schwer zu kontrollieren. Deletionen, die durch nicht homologe Endverbindung verursacht werden, können unterschiedlich groß sein und unterschiedliche DNA-Sequenzen bilden. Die homologe Reparatur ermöglicht eine bessere Kontrolle über den Bearbeitungsprozess, tritt jedoch bei vielen Zelltypen viel seltener auf als das Löschen. Studien an Mäusen könnten die genomische Bearbeitung von CRISPR genauer und effizienter machen als jetzt, sagt Andy Greenfield, Genetiker am Harwell Institute des UK Medical Research Council in der Nähe von Oxford. Mäuse züchten große Nachkommen, und so haben Forscher viele Versuche, eine erfolgreiche Bearbeitung zu erreichen und alle Fehler zu beseitigen. Das Gleiche gilt nicht für menschliche Embryonen.
Es ist noch nicht klar, wie effektiv eine gezielte homologe Reparatur beim Menschen sein wird oder wie genau sie funktionieren wird. Im Jahr 2017 verwendete eine Gruppe von Wissenschaftlern CRISPR-Cas9 in menschlichen Embryonen, um mit Herzinsuffizienz verbundene Genvarianten zu korrigieren. Die Embryonen wurden nicht implantiert, aber die Ergebnisse zeigten, dass die modifizierten Zellen als Vorlage für die DNA-Reparatur mit dem Genom der Mutter anstelle der von den Forschern bereitgestellten DNA-Vorlage verwendet wurden. Dies könnte sich als zuverlässigerer Weg zur Bearbeitung der DNA menschlicher Embryonen erweisen. Seitdem haben andere Forscher berichtet, dass sie diese Ergebnisse nicht replizieren konnten. "Wir verstehen noch nicht vollständig, wie die DNA-Reparatur in Embryonen abläuft", sagt Jennifer Doudna, Molekularbiologin an der University of California in Berkeley."Wir müssen viel mit anderen Arten von Embryonen arbeiten, um zumindest grundlegende Dinge zu verstehen."
Forscher entwickeln Wege, um die mit der DNA-Reparatur verbundenen Probleme zu lösen. In zwei im Juni veröffentlichten Artikeln wird das CRISPR-System erörtert, mit dem DNA in das Genom eingefügt werden kann, ohne beide Stränge zu stören, wodurch die Abhängigkeit von DNA-Reparaturmechanismen umgangen wird. Wenn die Systeme weitere Tests erfolgreich bestehen, können Forscher den Bearbeitungsprozess möglicherweise besser steuern.
Ein anderer Ansatz besteht darin, eine Technik zu verwenden, die als grundlegende Bearbeitung bezeichnet wird. Die Basiseditoren enthalten ein deaktiviertes Cas9 sowie ein Enzym, das einen DNA-Buchstaben in einen anderen umwandeln kann. Das deaktivierte Cas9 leitet den Basiseditor zu einem Abschnitt des Genoms, wo es die DNA direkt chemisch modifiziert, ohne sie zu schneiden. Im April veröffentlichte Untersuchungen haben gezeigt, dass einige dieser grundlegenden Editoren auch unbeabsichtigte Änderungen vornehmen können, aber die Arbeit verbessert weiterhin ihre Genauigkeit.
"Die grundlegende Bearbeitung entspricht derzeit nicht unseren Kriterien", sagt Matthew Porteus, ein pädiatrischer Hämatologe an der Stanford University in Kalifornien. "Aber Sie können sich vorstellen, dass es mit der Zeit besser wird."
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Heidi Ledford
