Was sind Gene Drives?

Die Evolution ist ein langsamer Prozess: Es dauert viele Generationen, bevor sich Veränderungen in der Natur durchsetzen. Gemäß den Mendelschen Regeln liegt die Wahrscheinlichkeit, dass eine neue Eigenschaft an die Nachkommen vererbt wird, bei 50 Prozent.

Der britische Forscher Austin Burt formulierte im Jahr 2003 die Idee, dass Gene sich rasch ausbreiten können, wenn sie konkurrierende Varianten überschreiben. Der natürliche Evolutionsprozess greift dann nicht mehr: Der Mensch kann das Erbgut freilebender Organismen verändern und neue Eigenschaften verbreiten, die einzig seinen Zwecken dienen.

Sogenannte egoistische genetische Elemente finden sich im Erbgut fast aller Lebewesen. Sie tragen nicht zum Überleben des Organismus bei, sondern streben ausschließlich ihre eigene Verbreitung an. Zahlreiche Schutzmechanismen schränken die Vermehrung dieser Elemente ein und begrenzen den Schaden für das Lebewesen. Im Laufe der Evolution entwickelten sich meist eine friedliche Koexistenz, bei der egoistische Elemente zu einem festen Bestandteil des natürlichen Erbguts wurden.

Transposons gehören zu den häufigsten egoistischen Elementen.1 Sie bestehen im Wesentlichen nur aus einem Enzym, das Kopien des Transposons erstellt und diese zufällig im Erbgut verteilt. Daher stammt auch die alternative Bezeichnung „springende Gene“. Der evolutionäre Erfolg ist beeindruckend: Die Hälfte des menschlichen Erbguts besteht aus Sequenzen, die auf die Aktivität von Transposons zurückgehen.

In Bakterien ist eine weitere Variante von egoistischen Elementen weit verbreitet, die homing endonuclease genes.2 Auch sie bestehen nur aus einem einzigen Enzym, können sich aber zielgenau in bestimmte DNA-Sequenzen einsetzen. Sie verbreiten sich rasch und überspringen dabei die Grenze zwischen verschiedenen Bakterienarten. Die sogenannten homing Gene Drives wurden nach ihrem Vorbild konzipiert.

Gene Drives hingegen sind egoistische genetische Elemente, die vom Menschen erzeugt werden. Ihr Zweck geht weit über die eigene Verbreitung hinaus: Sie sollen Lebewesen gezielt ausrotten oder mit Eigenschaften ausstatten, die allein menschlichen Interessen dienen. Evolutionär etablierte Mechanismen, die das Erbgut vor egoistischen Elementen schützen, werden voraussichtlich unwirksam sein. Sollten sich Gene Drives langfristig im Erbgut festsetzen, besteht die Gefahr von unvorhersehbaren evolutionären Veränderungen der manipulierten Lebewesen.

Austin Burt, Gene Drive Entwickler

CRISPR/Cas9 macht’s möglich

Die Verwirklichung von Burts Idee, egoistische genetische Elemente für menschliche Zwecke umzufunktionieren, scheiterte lange Zeit an technischen Hürden. Das änderte sich im Jahr 2012, als die Wissenschaftlerinnen Jennifer Doudna und Emanuelle Charpentier das Potential der CRISPR-Sequenzen erkannten.3 Diese kurzen Abschnitte im Erbgut helfen Bakterien, einen Schutz vor Viren aufzubauen: Die CRISPR-Sequenz erkennt den Eindringling und aktiviert Enzyme, die das Virus angreifen und sein Erbgut zerschneiden.

Die Forscherinnen erkannten als erste, dass die Kombination aus CRISPR und Cas9 sich dazu nutzen lässt, das Erbgut vieler Lebewesen zu verändern und neue Abschnitte in deren DNA einzuschleusen. Es war das fehlende Werkzeug, um Burts Idee in die Tat umzusetzen.4

2015 wurde erstmals ein funktionsfähiger CRISPR-Gene Drive bei Taufliegen veröffentlicht,5 in den folgenden Jahren waren auch Versuche an Mücken6 und Mäusen7 erfolgreich. Forscher*innen vermuten nun, dass fast jede Tierart mit einem Gene Drive manipuliert werden könnte.

Wie funktioniert ein CRISPR Gene Drive?

Die häufigste Variante eines Gene Drive besteht aus drei Komponenten: der Genschere CRISPR/Cas9, einem Botenmolekül und einem neuen oder veränderten Gen. Der Gene Drive wird zunächst im Labor in das Erbgut des Zielorganismus, z.B. einer Maus eingeschleust. Dieser Gene Drive wird nach Befruchtung der Eizelle aktiv und identifiziert mit Hilfe des Botenmoleküls eine Zielsequenz im unmanipulierten Chromosom. Dort führt Cas9 einen Doppelstrangbruch herbei.

Natürliche Reparaturmechanismen in der geschädigten Zelle versuchen dann, den Bruch mit Hilfe einer Vorlage zu reparieren. Als Vorlage dient der Gene Drive auf dem gentechnisch veränderten Chromosom: Er wird mit hoher Wahrscheinlichkeit vollständig kopiert und ersetzt das bisherige Gen auf dem bislang nicht manipulierten Chromosom. Dieser zielgerichtete Prozess wird als Homing bezeichnet. Er führt letztendlich dazu, dass alle Nachkommen eine Kopie des Gene Drives erben. Der Gene Drive wird bei jeder Fortpflanzung aufs Neue – auch in allen nachfolgenden Generationen – aktiv und kommt theoretisch erst zum Halten, wenn die Zielsequenz aus der gesamten Population verschwunden ist.