Neue CRISPR-Systeme entdeckt, die Präzision der Gen‑Editierung verbessern

Was macht uns einzigartig? Anders als die meisten, aber doch ähnlich wie einige? Was formt unser körperliches, verhaltensbezogenes und sogar geistiges Wesen? Die Antwort liegt in unseren Genen.

Von den Eltern an ihre Nachkommen weitergegeben, enthalten Gene die Information, die körperliche und biologische Merkmale bestimmt.

Doch das ist nicht alles. Gene sind auch für Krankheiten verantwortlich. Defekte Gene können allerlei Probleme verursachen, die sich als Geburtsfehler, chronische Krankheiten oder Entwicklungsstörungen äußern.

Ein hochentwickelter Ansatz, dies zu bewältigen, ist die Gen‑ bzw. Genom‑Editierung, die Wissenschaftlern ermöglicht, präzise Änderungen an der DNA vorzunehmen. Gen‑Editierung umfasst das Hinzufügen, Entfernen oder Ändern des genetischen Materials an bestimmten Stellen.

Diese spezifischen, zielgerichteten Änderungen der DNA können zu Veränderungen körperlicher Merkmale oder des Krankheitsrisikos führen. 

Diese Technologie wird nicht nur zur Behandlung genetischer Krankheiten eingesetzt, indem fehlerhafte Gene korrigiert werden, sondern auch zur Entwicklung neuer Therapien und zum tieferen Verständnis der Genfunktion. Außerdem kann sie Nutzpflanzen verbessern, indem präzise Änderungen ihrer DNA vorgenommen werden. Eine bekannte und weit verbreitete Gen‑Editierungstechnologie ist CRISPR‑Cas9, die auf einem natürlich vorkommenden bakteriellen Abwehrsystem basiert.

CRISPR‑Cas9 leitet sich von CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) ab, einem bakteriellen Immunsystem, das Bakterien hilft, sich gegen Virusinfektionen zu verteidigen, indem es virale DNA erkennt und zerstört. 

In diesem System fungiert CRISPR als genetisches Zielgerät, während Cas9, ein Protein, als molekulare „Schere“ wirkt, um DNA an bestimmten Stellen zu schneiden. Es ist einfacher, kostengünstiger und präziser als frühere Gen‑Editierungstechniken. 

Eine auf CRISPR‑Cas9‑Technologie basierende Methode zur Genom‑Editierung wurde tatsächlich mit dem Nobelpreis für Chemie im Jahr 2020 ausgezeichnet. Es war das erste Mal in der Geschichte, dass ein Nobelpreis an zwei Frauen verliehen wurde.

CRISPR: Die moderne Biologie mit Gen‑Editierung transformieren

CRISPR wurde vor einigen Jahrzehnten erstmals identifiziert. Im Jahr 1987 beobachtete Yoshizumi Ishino und sein Team an der Osaka University es in (E. coli)-Bakteriengenomen. Allerdings wurde erst Anfang der 2000er Jahre die Rolle von CRISPR als bakterielle Immunität erkannt.

In den letzten Jahren hat sich diese Technologie erheblich weiterentwickelt und die moderne Biologie transformiert.

Ein Beispiel dafür ist die Verwendung von CRISPR‑Cas9 zur Modifizierung menschlicher Embryonzellen, wodurch genetische Veränderungen an zukünftige Generationen weitergegeben werden können. Dies wurde weithin kritisiert, mit Forderungen nach einem Verbot erbbarer genetischer Modifikationen.

Darüber hinaus werden CRISPR‑Cas9 und verwandte Technologien erfolgreich eingesetzt, um lebensbedrohliche Krankheiten zu heilen. 

Allein in den ersten drei Monaten dieses Jahres haben mehrere Forscher CRISPR eingesetzt, um mehrere Durchbrüche zu erzielen.

Earlier this month, a team of scientists at Colossal Biosciences created ‘wooly mice’—mice with long fur similar to the extinct woolly mammoth. They did this by simultaneously editing seven genes linked to hair growth, color, and texture.

Das Team arbeitet an mehreren Wiederauferstehungsprojekten, darunter dem Tasmanischen Tiger und dem Dodo, wobei der Mammut ihr Vorzeigeprojekt ist. All diese Vorhaben beinhalten das Entnehmen von Stammzellen einer Art, die eng mit der ausgestorbenen verwandt ist, und anschließend das Editieren von Änderungen basierend auf den Genomen der verstorbenen Art. Dafür nutzten die Forscher Varianten der CRISPR/Cas9- und CRISPR/Cas‑Systeme.

Im letzten Monat entdeckten Wissenschaftler am McGovern Institute for Brain Research des MIT und am Broad Institute of MIT and Harvard entdeckten¹ ein altes RNA‑gesteuertes System, das den Genom‑Editierungs‑Werkzeugkasten erweitern und die Verabreichung von Gen‑Editierungs‑Therapien vereinfachen kann.

Diese Systeme, genannt TIGR (Tandem Interspaced Guide RNA), können neu programmiert werden, um jede DNA‑Sequenz zu targetieren. Sie besitzen zudem unterschiedliche Funktionsmodule, die auf die Ziel‑DNA wirken. Zusätzlich zu ihrer Modularität ist TIGR hoch kompakt.

Laut Feng Zhang, Professor für Neurowissenschaften am MIT, dessen Team zuvor bakterielle CRISPR‑Systeme in Gen‑Editierungs‑Werkzeuge umwandelte und verschiedene programmierbare Proteine fand:

„Dies ist ein sehr vielseitiges RNA‑gesteuertes System mit vielen unterschiedlichen Funktionalitäten.“ 

In ihrer neuesten Arbeit konzentrierte sich das Team auf ein strukturelles Merkmal des CRISPR‑Cas9‑Proteins, das an die RNA‑Leitfaden des Enzyms bindet. Sie haben über 20.000 verschiedene Tas‑Proteine entdeckt, mit Dutzenden davon experimentiert und gezeigt, dass einige programmierbar sind, um gezielte DNA‑Schnitte in menschlichen Zellen vorzunehmen. Sie planen nun, TIGR‑Tas‑Systeme zu programmierbaren Werkzeugen weiterzuentwickeln.

Wissenschaftler erforschen sogar die Gen‑Editierung, um Trisomie auf zellulärer Ebene zu korrigieren. Sie haben kürzlich erfolgreich zusätzliche Kopien von Chromosom 21 in Down‑Syndrom‑Zelllinien mittels CRISPR‑Cas9 entfernt und damit die normale Genexpression wiederhergestellt.

Das Down‑Syndrom entsteht, wenn eine zusätzliche Kopie von Chromosom 21 vorliegt. Diese Erkrankung betrifft etwa 1 von 700 Lebendgeburten, und obwohl sie frühzeitig diagnostiziert werden kann, gibt es derzeit keine Behandlung.

Der jüngste Durchbruch, der in im Labor gezüchteten Zellen erzielt wurde, konnte das zusätzliche Chromosom aus Trisomie‑21‑Zelllinien entfernen, die sowohl aus pluripotenten Stammzellen als auch aus Hautfibroblasten gewonnen wurden, sodass nur noch je eine Kopie von jedem Elternteil verbleibt, anstatt zwei identische.

Obwohl es noch nicht für den Einsatz in lebenden Organismen bereit ist, deutet es auf ein Potenzial für Anwendungen in Neuronen und Gliazellen hin.

In einem anderen Fall haben chinesische Wissenschaftler ein sichereres Gen‑Editierungssystem entwickelt, das tödliche Viren wie Dengue‑Fieber nutzt, um Effizienz und Sicherheit zu erhöhen. Das System verwendet mRNA, um das Risiko zu vermeiden, dass fremde DNA zurückbleibt und unerwünschte Mutationen verursacht.

Laut dem Forschungsteam erhöht das optimierte mRNA‑Lieferungssystem „die Flexibilität und Anwendbarkeit von transgenfreiem Genom‑Editieren in Pflanzen.“

Gen‑Editierungstechnologie hat also nicht nur die menschliche Biologie, sondern auch die Landwirtschaft revolutioniert, indem sie Pflanzen‑DNA modifiziert, um wünschenswerte Merkmale wie hohe Erträge zu verbessern.

Erst diesen Monat entdeckten Wissenschaftler der Johns Hopkins University und des Cold Spring Harbor Laboratory Schlüsselgene, die die Fruchtgröße bestimmen. Diese Gene können mit CRISPR gesteuert werden, was den Weg für größere und geschmackvollere Erzeugnisse ebnet.

Die Forschung ist Teil einer umfassenderen Initiative, die vollständigen Genome von 22 Nachtschattengewächsen, darunter Kartoffeln, Auberginen und Tomaten, zu kartieren, um ihre genetischen Merkmale zu verstehen und zu verbessern.

„Sobald Sie die Gen‑Editierung durchgeführt haben, reicht ein einziger Samen, um eine Revolution zu starten.“

– Co‑Lead‑Autor Michael Schatz, Genetiker an der Johns Hopkins University

All diese Entwicklungen zeigen, wie weit die Technologie bereits gekommen ist, doch es ist erst der Anfang. Forscher der Duke University und der North Carolina State University haben nun neue CRISPR‑Cas‑Systeme entdeckt, die die Fähigkeiten bestehender Gen‑Editierungstechnologien weiter verbessern.
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Advancing CRISPR: Neue Systeme steigern die Präzision der Gen‑Editierung

Seit die CRISPR‑Cas‑Systeme erstmals in Bakterien entdeckt wurden, wurden zahlreiche Orthologe identifiziert. Orthologe sind Gene, die sich aus einem gemeinsamen Vorfahren‑Gen durch ein Artspaltungsereignis entwickelt haben. Sie kommen in verschiedenen Arten vor und können dieselbe Funktion beibehalten.

Mindestens sechs Typen und 33 Subtypen von Orthologen wurden charakterisiert, doch trotz dessen werden Typ‑II‑Systeme am häufigsten in der Biotechnologie und biomedizinischen Forschung eingesetzt. Diese Typ‑II‑Systeme verwenden Cas9, um DNA zu schneiden.

Die einfache Umprogrammierung von Cas9‑Zielstellen hat zu seiner Popularität beigetragen und eine Welle potenzieller Genom‑Editierungs‑Therapeutika eingeleitet.

Allerdings sind trotz der Fülle an bakteriellen CRISPR‑Cas9‑Systemen nur wenige in menschlichen Zellen wirksam, was das Gesampotenzial der CRISPR‑Technologie einschränkt.

Dies schafft einen Bedarf an zusätzlichen Cas9‑Orthologen, um das Spektrum targetierbarer DNA‑Sequenzen zu erweitern. Das wird zudem helfen, Größenbeschränkungen bei der Lieferung zu überwinden und die Spezifität sowie Effizienz der CRISPR‑Cas9‑Gen‑Editierung zu verbessern.

Daher untersuchten die Forscher der Duke University und der NC State University tausende bakterielle Genome nach neuen CRISPR‑Cas‑Systemen und entdeckten einige, die dem Gen‑Editierungs‑Werkzeugkasten hinzugefügt werden können.

Die Studie, veröffentlicht in den Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)² in diesem Monat, erweitert effektiv die Auswirkungen der Technologie auf Forschung, Medizin und Biotechnologie.

„Es ist tatsächlich bemerkenswert, dass das erste CRISPR‑Cas‑System, das Forscher in menschlichen Zellen verwendet haben, immer noch das am besten funktionierende ist. Wir wollten Bakterien aus weniger bekannten Umgebungen nach unterschiedlichen CRISPR‑Systemen durchsuchen, die möglicherweise andere Fähigkeiten besitzen.“

– Charlie Gersbach, Professor für Biomedizinische Technik an der Duke

Unter den neu entdeckten bakteriellen Genomen weist ein bestimmtes System, das von Bakterien stammt, die typischerweise in Milchkühen vorkommen, Potenzial für die menschliche Gesundheit auf.

Dieser orthogonale Effektor ermöglicht ein komplementäres und flexibles Targeting verschiedener genetischer Sequenzen für die Gen‑Editierung der nächsten Generation.

Das System ist zudem hoch effizient, vergleichbar mit dem weit verbreiteten Streptococcus pyogenes CRISPR‑Cas9. Streptococcus pyogenes ist die Bakterienart, auf der CRISPR‑Cas9 und die meisten nachfolgenden CRISPR‑Forschungen basieren.

Laut Rodolphe Barrangou, Professor für Lebensmittel-, Bioprozess- und Ernährungswissenschaften an der NC State:

„Es gibt in der Natur weitaus mehr CRISPR‑Cas‑Systemvielfalt, als die Menschen wahrnehmen, und es kann sehr nützlich sein, nach diversen Effektoren mit funktionellem Potenzial als molekulare Maschinen zu forschen.“

Einige Jahre bevor das Papier über die Technologie den Nobelpreis erhielt, hatte Barrangou CRISPR als Abwehrsystem in Bakterien, die in Milchsäurekulturen verwendet werden, charakterisiert, und seitdem erforscht sein Labor die Vielfalt für Probiotika, Lebensmittelherstellung, die Editierung von Baumgenomen und die Veränderung von Holzeigenschaften.
Barrangou sagte zum neuesten Forschungsergebnis:

„Während einige etablierte Effektoren wie SpyCas9 bereits großes Potenzial in der Klinik gezeigt haben, müssen wir den CRISPR‑Werkzeugkasten für die Manipulation der nächsten Generation von Genom, Transkriptom und Epigenom erweitern.“ 

Er hat ein Programm namens „CRISPRdisco“ entwickelt, das CRISPR‑Cas‑Systeme in großen Datenbanken bakterieller Genome identifiziert. Das Programm half den Forschern, über 1000 verschiedene, bislang unerforschte CRISPR‑Systeme zu finden.

Die Forscher reduzierten diese Systeme auf nur 50 Kandidaten, die das Labor von Gersbach weiterentwickeln soll.

Bei Tests dieser CRISPR‑Systeme in menschlichen Zellen hinsichtlich ihrer Fähigkeiten als Genaktivatoren, Repressoren sowie genetische und epigenetische Editoren hoben sich vier Systeme durch ihre individuellen Erfolge hervor.

Eines (SubCas9) war besonders bemerkenswert wegen seiner Vielseitigkeit. Diese vielversprechende CRISPR‑Komponente stammt aus dem Bakterium Streptococcus uberis, das häufig in Milchkühen vorkommt und auch in einigen menschlichen Probiotika verwendet wird.

Forscher sind aus mehreren Gründen begeistert von SubCas9. Zunächst ermöglicht die kleine Größe des neuen Systems – kleiner als das konventionell genutzte Cas9‑DNA‑Molekularskalpell – eine einfachere Lieferung in menschliche Zellen.

Zusätzlich kann es einzigartige Gensequenzen anvisieren, die für andere Systeme, einschließlich des ursprünglichen Gegenstücks, unzugänglich sind.

Das üblicherweise genutzte Cas9 arbeitet an genomischen Zielstellen, die an die DNA‑Sequenz „GG“ angrenzen, was „eine ziemlich häufige DNA‑Sequenz“ ist. Ist jedoch kein GG in der Nähe, wird ein alternatives System benötigt, und das neue System bietet dies, indem es an Stellen arbeitet, die den Mustern „AATA“ oder „AGTA“ benachbart sind.

„Dieses System kann Forschern Flexibilität beim Einsatz verschiedener Cas9s geben, wenn sie bei der Auswahl des Zielortes wirklich präzise sein müssen.“

– Gabe Butterfield, Postdoktorand im Gersbach‑Labor

Zusätzlich ist es weniger wahrscheinlich, dass das menschliche Immunsystem es erkennt, da S. uberis normalerweise nicht im Menschen vorkommt. Das unterscheidet sich von Bakterienarten, die zur Isolation der häufigeren Cas9‑Proteine verwendet werden.
Daher würden die Immunsysteme der meisten Menschen SubCas9 in einer therapeutischen Anwendung nicht aufgrund einer früheren natürlichen Exposition erkennen.

„Neben dem Potenzial für therapeutische Anwendungen schätzen wir auch, dass Bakterien, die sich an unterschiedliche Lebensräume angepasst haben, Effektoren beherbergen, die besser für verschiedene Wirte geeignet sind, mit großem Potenzial für die Entdeckung von Systemen, die besser für Pflanzen, Nutztiere und Umweltanwendungen geeignet sind.“

– Barrangou

Im nächsten Schritt werden die Forscher die Fähigkeit von SubCas9 untersuchen, bereits bestehende Immunität zu umgehen, wie erwartet. Sie testen zudem die Integration in verschiedene Zell‑ und Gentherapien. Die Forscher könnten auch wieder auf die umfangreichen bakteriellen Metagenom‑Datenbanken zurückgreifen, um weitere CRISPR‑Systeme zu untersuchen.

Insgesamt stellen die neuesten Fortschritte in der CRISPR‑Cas9‑Gen‑Editierung einen bedeutenden Durchbruch dar, der Gen‑Therapietechniken erheblich verbessern kann, sodass präzisere und effizientere Behandlungen für genetische Erkrankungen, Krebs und andere Krankheiten möglich werden.

Angesichts des rasanten Tempos der CRISPR‑Forschung könnten diese neuen Systeme innerhalb der nächsten 3 bis 5 Jahre in klinische Anwendungen integriert werden, vorbehaltlich weiterer Validierungen und behördlicher Zulassungen.

Innovatives Unternehmen

Editas Medicine, Inc.

Editas Medicine (EDIT ) ist ein führendes Unternehmen für Genom‑Editierung, das sich auf die Entwicklung von CRISPR‑basierten Therapien zur Behandlung einer Reihe schwerer Krankheiten konzentriert.

Es ist ein klinisch fortgeschrittenes Genom‑Editierungsunternehmen, das in vivo verabreichte Gen‑Editierungs‑Medikamente entwickelt, bei denen die Behandlung direkt in den Patienten injiziert wird, um Zellen im Körper zu editieren. CEO Gilmore O’Neill, M.B., M.M.Sc, sagte Anfang dieses Monats, während er geschäftliche Updates teilte, Folgendes:

„Unser Ziel und unsere Strategie, ein führendes Unternehmen im Bereich der in vivo Gen‑Editierung zu werden, beschleunigte sich im vierten Quartal, nachdem wir den präklinischen In‑vivo‑Nachweis des Konzepts vorzeitig erreicht und positive präklinische In‑vivo‑Daten geteilt hatten, die das Potenzial unserer Plattformtechnologie zeigen, die Gen‑Upregulation zu erreichen, also die Expression eines bestehenden Proteins zu verstärken, um klinisch relevante Levels zu erzielen, die potenziell Heilungen über Gewebe hinweg mit einer einzigen Dosis ermöglichen.“

Zum Zeitpunkt dieses Schreibens werden die Aktien des Unternehmens mit einer Marktkapitalisierung von 117 Millionen $ zu 1,41 $ gehandelt, ein Anstieg von 11,02 % im Jahresverlauf. Das EPS (TTM) beträgt -2,88 und das KGV (TTM) liegt bei -0,48.

Anfang dieses Monats hat das Unternehmen gemeldet seine Finanzzahlen für das vierte Quartal und das Gesamtjahr 2024. Der Nettoverlust betrug 45,4 Millionen $, bzw. 0,55 $ pro Aktie, deutlich höher als die 18,9 Millionen $ im Q4 2023. 

Der Umsatz sank auf 30,6 Millionen $, und die Forschungs‑ und Entwicklungskosten stiegen in diesem Zeitraum auf 48,6 Millionen $.

Zum Ende des Jahres 2024 verfügte das Unternehmen über 269,9 Millionen $ in bar, Baräquivalenten und handelbaren Wertpapieren, etwas besser als zum Ende des vorherigen Quartals. Laut Unternehmensmitteilung erwartet es, dass diese Mittel zusammen mit den zurückbehaltenen Anteilen der Zahlungen aus dem Lizenzvertrag mit Vertex Pharmaceuticals (VRTX ) sowohl die Betriebskosten als auch die Investitionsausgaben bis weit ins zweite Quartal 2027 finanzieren werden.

Für das Gesamtjahr 2024 betrug der Nettoverlust 237,1 Millionen $, bzw. 2,88 $ pro Aktie, die Kooperationsumsätze sanken auf 32,3 Millionen $, die F&E‑Ausgaben stiegen auf 199,2 Millionen $, die allgemeinen und administrativen Ausgaben auf 72 Millionen $, und die Restrukturierungskosten beliefen sich auf 12,2 Millionen $.

Zu den jüngsten Erfolgen des Unternehmens gehört der Nachweis des präklinischen Proof of Concept (PoC) in humanisierten Mäusen und nicht‑menschlichen Primaten.

Die CTO Linda C. Burkly, Ph.D., erklärte, dass dies die Fähigkeit des Unternehmens zeige, „in vivo Gen‑Editierung durch Gen‑Upregulation zu erreichen, um das Niveau eines funktionierenden Proteins zu erhöhen und Krankheiten zu bekämpfen, die durch Funktionsverlust oder schädliche Mutationen verursacht werden.“ Sie teilte zudem das Potenzial der Gen‑Upregulations‑Strategie über mehrere Gewebe hinweg im Rahmen des ‚Plug‑n‑Play‘‑Programms.

Editas hat außerdem mitgeteilt, dass es plant, Mitte 2025 einen in vivo Entwicklungskandidaten für hämatopoetische Stammzellen und Leberzellen anzukündigen, und bis zum Jahresende beabsichtigt, weitere präklinische in vivo HSC‑ und Leberdaten zu veröffentlichen.

Inmitten dessen hat das Unternehmen sein Reni‑Cel‑Programm zur Behandlung der Sichelzellenkrankheit (SCD) beendet, nachdem die umfangreiche Suche keinen kommerziellen Partner fand. Mit diesem Schritt leitete das Unternehmen Kosteneinsparungsmaßnahmen ein, bei denen die Belegschaft um 65 % reduziert wird, etwa 180 Stellen.

Neueste Informationen zu Editas Medicine, Inc.

Fazit

In den letzten zehn Jahren haben CRISPR‑basierte Technologien die Biotechnologie revolutioniert, indem sie Genom‑Editierung ermöglichten. Sie haben vielfältige neue Möglichkeiten für die biomedizinische Forschung sowie für therapeutische Gen‑ und Epigenom‑Editierung geschaffen. 

Aktuelle Ansätze stoßen jedoch auf Einschränkungen, da sie sich unverhältnismäßig stark auf einen einzigen Cas9‑Effektor mit begrenzter Effizienz und eingeschränkter Ziel‑Spezifität konzentrieren.

Die Entdeckung neuer CRISPR‑Cas‑Systeme stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Gen‑Editierung dar. Durch die Erweiterung von Präzision, Effizienz und Vielseitigkeit der aktuellen Technologien verspricht die jüngste Studie gezieltere Behandlungen für genetische Erkrankungen und verbesserte landwirtschaftliche Ergebnisse. Wenn Forscher diese Systeme weiter verfeinern und sie in der Praxis Anwendung finden, könnte die nächste Generation der Gen‑Editierung neue Grenzen in Medizin und Biotechnologie erschließen!

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