Yale präsentiert Cas12a‑basierten Durchbruch für Multi‑Gen‑CRISPR‑Bearbeitung

Erweiterung des Potenzials von CRISPR

Seit seiner Entdeckung hat CRISPR („Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats“), das den Nobelpreis für Chemie 2020 gewonnen hat, Medizin und Biotechnologie revolutioniert.

Source: Nobelpreis

CRISPR ermöglicht gezielte Änderungen spezifischer genetischer Sequenzen, beseitigt jedoch nicht das Risiko unerwünschter Mutationen. FDA‑Leitlinien fordern die Bewertung von Off‑Target‑Bearbeitungen und anderen unbeabsichtigten genomischen Veränderungen.

Dies ist wichtig, da ungerichtete Genseinfügungen mit gravierenden Problemen, insbesondere Krebsrisiken, in Verbindung gebracht wurden, was ihre therapeutische Anwendung schwierig und umstritten macht.

CRISPR kann auf verschiedene Weise eingesetzt werden, um ein bereits vorhandenes Gen zu unterbrechen, eine bestimmte Sequenz zu löschen oder die richtige genetische Sequenz zu editieren/einzufügen.

Source: CRISPR Therapeutics (NASDAQ: CRSP)

Dies wurde zu einem medizinischen Durchbruch mit der FDA‑Zulassung für die erste CRISPR‑basierte Therapie im Jahr 2023, entwickelt von CRISPR Therapeutics für genetische Bluterkrankungen (folgen Sie dem Link für einen speziellen Bericht über CRISPR Therapeutics).

CRISPR ist nicht auf die Bearbeitung eines einzelnen Gens beschränkt: Multiplex‑Cas9‑Editing wurde 2013 demonstriert. Die Planung und Bereitstellung zuverlässiger Multi‑Gen‑Interventionen bleibt jedoch eine Herausforderung.

Die Yale‑Studie fügt ein Cas12a‑basiertes Maus‑Toolkit hinzu, um mehrere Gene gemeinsam zu untersuchen; sie stellt jedoch nicht die erste Multiplex‑CRISPR‑Methode dar und demonstriert keine Behandlung beim Menschen.

Es war eine bahnbrechende Studie, die ein riesiges Forscherteam zusammenbrachte: Nicht weniger als 37 Personen werden als Autoren der in Nature Biomedical Engineering veröffentlichten Studie¹ mit dem Titel „Cas12a‑knock‑in mice for multiplexed genome editing, disease modeling, and immune‑cell engineering“ genannt.

Sie könnte helfen, neue Krankheits‑ und Behandlungsmodelle zu erzeugen, etwa genetische Erkrankungen der Leber, Lungenkrebs und Hautkrebs, und die weitere Forschung auf diesem Gebiet beschleunigen.

Die vielen CRISPR‑Systeme

Wenn über CRISPR gesprochen wird, sei es bei der Nobel‑Preis‑gekrönten Entdeckung oder den bereits von der FDA zugelassenen Therapien, geht es eigentlich um CRISPR‑Cas9.

Der „Cas“-Teil des Systems ist das Protein, das den DNA‑Strang schneidet und die Genbearbeitung selbst durchführt, gesteuert von einer RNA‑Kette. Es werden viele weitere Cas‑Proteine untersucht, von denen wahrscheinlich noch zahlreiche entdeckt werden.

Source: YourGenome

Es könnte sogar langfristig üblich werden, dass Forscher eigene Cas‑Systeme entwerfen, insbesondere mit „OpenCRISPR‑1“, einer Open‑Source‑KI zur Gestaltung eines maßgeschneiderten CRISPR‑Systems für spezifische Situationen. Eine Computersimulation namens CREME (Cis‑Regulatory Element Model Explanations) könnte ebenfalls helfen, das Optimieren von CRISPR‑Systemen besser zu verstehen.

Cas12a ist ein weiteres intensiv untersuchtes CRISPR‑System mit nützlichen Eigenschaften für Multiplex‑Editing.

CRISPR‑Cas12a

Seit wir es erstmals 2023 besprochen haben, wurden erhebliche Fortschritte bei der Cas12a‑Technologie erzielt.

CRISPR‑Cas12a unterscheidet sich in einigen Punkten von Cas9:

• Bietet alternative Schnittstellen im Vergleich zu Cas9.
  • Schwer lösbare Probleme mit Cas9 könnten mit Cas12 lösbar sein.
• Es schneidet DNA so, dass ein „klebriger“ DNA‑Abschnitt entsteht, im Gegensatz zum „stumpfen“ Schnitt von Cas9, und kann mehrfach geschnitten werden.
• • Dies führt zu einer höheren Wahrscheinlichkeit für Gen‑Editing.
• Für Cas12a ist im Gegensatz zu Cas9 keine transaktivierende crRNA (tracrRNA) erforderlich. Durch die kleinere Größe ermöglicht es ein einfacheres Multiplex‑Genom‑Editing.
  • Mehr als ein Gen kann gleichzeitig mit Cas12a modifiziert werden.

Source: Wikipedia

Dieses jüngste Merkmal von Cas12a hat das größte Interesse von Biologen geweckt, da viele Krankheiten oder genetische Ingenieurprojekte mehrere Gen‑Editierungen, Einfügungen und/oder Deletionen erfordern.

Sowohl Cas9 als auch Cas12a können Multiplex‑Editing unterstützen. Die Eignung für eine bestimmte Krankheit hängt von der Lieferung, der Editier‑Effizienz und der Sicherheit ab, nicht von einer grundsätzlichen Unfähigkeit von Cas9, mehrere Gene zu modifizieren.

Gleichzeitig wird deutlich, dass CRISPR ein Potenzial weit über die Heilung seltener genetischer Erkrankungen hinaus hat, wobei Neurologie, Krebs (Onkologie) und Stoffwechselstörungen am wahrscheinlichsten das Leben von zig Millionen Menschen verbessern oder retten werden.

Source: ARK Invest

Einige vorgeschlagene Therapien könnten von der Modifikation mehrerer Gene profitieren, aber der erforderliche Ansatz hängt von der Krankheit und dem Behandlungsdesign ab.

Yales Cas12a‑Studie

Vielfältige Ziele

Bevor ein Multi‑Gen‑Editing beim Menschen durchgeführt wird, müssen wir zunächst die Auswirkungen einer solch aggressiven Intervention auf das Genom besser verstehen.

Die Yale‑Forscher nutzten Labormäuse, um Immunzellen genetisch zu verändern, darunter CD4‑ und CD8‑T‑Zellen, B‑Zellen und aus Knochenmark abgeleitete dendritische Zellen. Sie modifizierten zudem krebsrelevante Gene und Lebergewebe in vivo.

Das CRISPR‑Gen‑Editiermaterial wurde jeweils mit Retroviren, Adeno‑assoziierten Viren und Lipid‑Nanopartikeln an die Ziele geliefert.

Source: Nature Biomedical Engineering

Um die Möglichkeiten der Methode zu erweitern, nutzten sie außerdem zwei Varianten von Cas12a.

Effizienzprüfung

Zunächst verknüpften die Forscher die Mutation mit einem Fluoreszenzprotein, um zu prüfen, ob sie korrekt durchgeführt wurde.

Source: Nature Biomedical Engineering

Anschließend prüften sie, wie die Effizienz des Gen‑Editings je nach Zielorgan variierte. Es zeigte sich, dass Leber, Gehirn, Niere und Lunge zu den am leichtesten zu erreichenden Organen für ein hohes Maß an in‑vivo‑Gen‑Editing gehören.

Dies liefert sehr vielversprechende Ergebnisse, da diese Organe für die wichtigsten medizinischen Ziele zukünftiger CRISPR‑Therapien von zentraler Bedeutung sind.

Source: Nature Biomedical Engineering

Praktisches Potenzial

Nachdem das Konzept sein Potenzial bewiesen hatte, testeten die Forscher Anwendungsfälle zur Modifikation von Immunzellen und Krebszellen.

Bei Immunzellen war die Transformations‑Effizienz, ein Maß dafür, wie viele der exponierten Zellen genetisch modifiziert wurden, bemerkenswert hoch und erreichte 90‑100 %.

Source: Nature Biomedical Engineering

Ein weiteres bemerkenswertes Ergebnis, das für jede potenzielle Anwendung von In‑vivo‑Therapien unabdingbar ist, ist eine sehr hohe Rate von On‑Target‑Mutationen. Das bedeutet, dass nur das beabsichtigte Gen modifiziert wird und nur sehr wenige Off‑Target‑Editierungen auftreten.

Source: Nature Biomedical Engineering

DAKO

Um die Möglichkeiten der CRISPR‑Cas12a‑Technologie noch weiter zu erweitern, entwickelten die Forscher ein neuartiges Dual‑Gen‑Aktivierungs‑ und Knock‑out‑System (DAKO).

Das bedeutet, dass eine einzelne Behandlung später sowohl die Aktivierung eines Gens als auch die Unterdrückung eines anderen gleichzeitig bewirken kann.

Source: Nature Biomedical Engineering

Dies ist ein wichtiger Schritt zur Modifikation von Zellen mit komplexen biochemischen Mechanismen, zum Beispiel ein Protein, das einen Mechanismus aktiviert, und ein anderes, das ihn unterdrückt. Durch DAKO‑Gen‑Editing wird es möglich, die gewünschte Aktivität über das Normalniveau zu steigern und gleichzeitig das System zu entfernen, das diesen Effekt hemmen würde.

Da unerwünschte oder schlecht gesteuerte Retro‑Kontrollen häufig ein Hauptgrund dafür sind, dass Gen‑Editing nicht wie erwartet funktioniert, könnte dieses DAKO‑System insbesondere in der Onkologie, Neurologie und bei Stoffwechselbehandlungen eine Revolution darstellen.

Source: Nature Biomedical Engineering

Tiermodelle

Dieses neue Gen‑Editing‑System mit Cas12a kann ebenso präzise wie Cas9 sein, aber mehrere Editierungen gleichzeitig durchführen, wobei diese sowohl die Aktivierung als auch die Unterdrückung von Genen umfassen können.

Damit ist es ein perfektes System, um ein neues biologisches Modell zu schaffen, auf dem Biologen ihre Hypothesen testen können.

„Diese Mäuse können schnelle und nahtlose Arbeitsabläufe für das in‑vivo‑therapeutische Ziel‑Gen‑Targeting, die Krankheits‑/Tumormodellierung und die primäre Immun‑Zell‑Engineering ermöglichen.“

„In Kombination mit der Synthese und dem Klonen von gepoolten Oligo‑Bibliotheken könnten diese Mäuse für hoch‑durchsatz‑CRISPR‑Screenings verwendet werden, um komplexe genetische Fragestellungen zu untersuchen, etwa den Übergang von Effektor‑ zu Gedächtnis‑Phänotypen in Immunzellen.“

Solche Tiermodelle sind sehr wichtig, um potenzielle Behandlungen zu testen oder komplexe Krankheiten besser zu verstehen. Selbst wenn keine Therapie mit Cas12a jemals den Markt erreicht, würde dies allein bedeuten, dass diese CRISPR‑Variante einen großen Einfluss auf die zukünftige Biotech‑Forschung haben wird.

Weiterführende Schritte

Wie in der Studie gezeigt wurde, kann die Intensität des Gen‑Editings je nach Organ stark variieren; es ist wahrscheinlich, dass weitere Verbesserungen erzielt werden können.

Ein Schlüsselelement wird vermutlich das Testen neuer Vektoren für das Gen‑Editing‑System sein, sei es andere Viren oder andere Lipid‑Nanokapseln. Insbesondere werden bessere Vektoren für die am wenigsten betroffenen Organe für spezifische Studien oder Krankheiten benötigt.

Langfristig werden Gen‑Editing‑Therapien für komplexe Krankheiten wie Krebs und neurologische Probleme wahrscheinlich ein dem Cas12a‑System ähnlicheres System verwenden als das „traditionelle“ Mono‑Gen‑Cas9.

Cas12a‑Unternehmen

Editas

Editas wurde von der Mitentdeckerin von CRISPR‑Cas9, Jennifer Doudna, gegründet. Editas begann mit Cas9 zu arbeiten, konzentriert sich nun jedoch auf eine proprietäre Version von Cas12a, die sie entwickelt haben: AsCas12a.

Weitere Informationen zu den einzigartigen Eigenschaften von Cas12a finden Sie in unserem speziellen Artikel „What Is CRISPR‑Cas12a2? & Why Does It Matter?“.

Source: Editas

Eine Übersicht über alle Unternehmen von Jennifer Doudna finden Sie ebenfalls im entsprechenden Artikel „Top Jennifer Doudna Companies to Watch“.

Editas konzentriert sich auf Sichelzellenkrankheit (SCD) und Beta‑Thalassämie, zwei Krankheiten, bei denen es im Rennen um die erste Zulassung dem Wettbewerb durch CRISPR Therapeutics und BlueBirdBio unterlag.

Insgesamt wurde das SCD‑Programm (kürzlich in reni‑cel umbenannt) mehrfach verzögert, was bei Investoren Besorgnis auslöste, und es wurde seitdem auf In‑vivo‑Therapien umorientiert, um es von bereits zugelassenen SCD‑Therapien zu unterscheiden.

Dennoch besitzt Editas bedeutende Patente auf CRISPR‑Cas12, die von Forschern der University of New South Wales, Australien, zur Entwicklung eines COVID‑19‑Streifen‑Tests genutzt wurden, was das technologische Potenzial über das Gen‑Editing hinaus veranschaulicht.

Editas hat außerdem 2023 einen 50‑Millionen‑Dollar‑Deal mit Vertex abgeschlossen, damit das Unternehmen das Cas9‑IP von Editas nutzen kann.

Editas konzentriert sich auf andere CRISPR‑Versionen als das „klassische“ CRISPR‑Cas9, und sein Forschungs‑IP könnte beim Aufbau von Partnerschaften und der Generierung von Einnahmen ohne ein von der FDA zugelassenes Produkt nützlich sein, zusätzlich zu einer Liquiditätsreserve bis 2026.

Da sich Cas12a zunehmend als erstklassige Methode für Multi‑Gen‑Editing erweist, könnte Editas‘ Fachwissen und die Pipeline‑Fokussierung auf diese CRISPR‑Variante langfristig eine gewinnende Wette sein.

(Sie können mehr über CRISPR‑Unternehmen in unserem entsprechenden Artikel „Top 5 CRISPR Companies To Invest In“ lesen.)

Neueste Entwicklungen bei Editas

Studien zitiert:

^{1. Tang, K., Zhou, L., Tian, X. et al. Cas12a‑knock‑in mice für multiplexed genome editing, disease modelling und immune‑cell engineering. Nat. Biomed. Eng (2025). https://www.securities.io/wp-content/uploads/2023/10/editas-cas12.webp}