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3. März 2017

Die Ursache von Missbildungen

Molekularbiologen können das Erbgut von Menschen und Tieren schon seit Jahrzehnten verändern. Doch mit der CRISPR/Cas9-Methode schaffen sie es heute schneller und präziser. Dr. Aimée Zuniga erforscht die Entstehung von vererbten Missbildungen.

Wenn Menschen mit unvollständigen Gliedmassen zur Welt kommen, steckt dahinter in der Regel ein genetischer Defekt. Solche Missbildungen zu verstehen und vielleicht in Zukunft verhindern zu können, das ist eine der übergeordneten Zielsetzungen von Prof. Rolf Zeller und seiner Forschergruppe im Departement für Biomedizin der Universität Basel. Zu diesem Zweck untersuchen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Entstehung der Organe (Organogenese) im Embryo. Da Mäuse sehr ähnliche Fehlbildungen aufweisen wie Menschen, untersuchen die Basler Grundlagenforscher das Erbgut von Mäusen, um die genetischen Regelkreise, welche die Entwicklung des frühen Embryos steuern, zu verstehen. Diese grundlegenden Erkenntnisse tragen nicht nur zum besseren Verständnis der Organogenese bei, sondern könnten auch neue Ansätze für die Behandlung von Fehlbildungen und anderen Krankheiten aufzeigen sowie wichtige Informationen zur Verbesserung der Gewebereparatur mittels Stammzellen liefern.

Studien am Modell der Maus

Im Zentrum der Forschung stehen Mäuse-Embryonen am Tag 9 bis Tag 12 nach der Befruchtung. Zu diesem Zeitpunkt haben die Embryonen einen Entwicklungsstand, der einem menschlichen Embryo im zweiten Monat der Schwangerschaft entspricht. Der Mäuseembryo ist in diesem Alter etwa 6 mm lang und besteht aus x-Millionen Zellen. Die Basler Forscherinnen und Forscher richten ihr Augenmerk auf die Extremitätenknospen, also jenen Teilen des Mäuseembryos, aus denen später die Pfoten hervorgehen. Eine derartige Knospe hat zwischen 50'000 und 300'000 Zellen. Die in der DNA dieser Zellen gespeicherte Erbinformation ist der Gegenstand, auf den sich das Hauptinteresse der Wissenschaftler richtet.

Um die genetischen Informationen, ihre Funktionen und allfälligen Fehlfunktionen zu verstehen, muss die Erbinformation zum Zweck der Forschung gezielt verändert werden. So müssen beispielsweise Gene 'ausgeschaltet' werden, um dann zu untersuchen, wie sich dies auf die Funktionsweise der Zellen auswirkt. Oder die Wissenschaftler fügen zusätzliche genetische Informationen ein, um zu ergründen, wie das die Zellfunktionen beeinflusst. Das heisst: Die Entwicklungsgenetiker müssen auf geeignetem Weg die Mäuse mit den jeweiligen genetischen Eigenschaften herstellen, bevor sie diese Eigenschaften untersuchen können.

Laborarbeit revolutioniert

Dazu ist ein aufwändiger Prozess nötig, der – vereinfacht dargestellt – aus folgenden Schritten besteht: Zuerst werden aus Mäuse-Embryonen unmittelbar nach der Befruchtung multipotente Stammzellen entnommen, also Zellen, die die Eigenschaft haben, sich in verschiedene Typen von Körperzellen zu entwickeln. Die Stammzellen werden dann in einer Kulturschale vermehrt (Schritt 2) und anschliessend genetisch so verändert, wie dies für die jeweilige wissenschaftliche Fragestellung erforderlich ist (Schritt 3). Die veränderten Stammzellen werden in die Zellmasse von zwei Tage alten Mäuseembryonen injiziert (Schritt 4). Daraus entstehen Mäuse, die aus veränderten und nicht-veränderten Zellen bestehen ('Chimären'). Kreuzt man solche Chimären, kann man Mäuse züchten, die vollständig aus veränderten Zellen bestehen (Schritt 5). An den Nachkommen dieser Mäuse – im vorliegenden Fall Embryonen im Alter von 9 bis 12 Tagen – führen die Forscher ihre genetischen Studien durch, um die unterliegenden Mechanismen funktionell zu analysieren.

„Früher hat es sieben Monate gedauert, um einen genetisch veränderten Mäuseembryo für unsere Forschung herzustellen; dank des neuen Verfahrens schaffen wir das jetzt in zwei Monaten“, sagt Dr. Aimée Zuniga, Gruppenleiterin im Wissenschaftlerteam um Prof. Zeller. Das „neue Verfahren“, von dem Aimée Zuniga spricht, ist in der Fachwelt unter dem Namen 'CRISPR/Cas9' bekannt. Es kommt bei Schritt 3, wie er oben beschrieben ist, zur Anwendung: Mit dem erst vor wenigen Jahren entdeckten Verfahren lassen sich Gene 'auszuschalten', neue genetische Informationen in die DNA einbauen oder Gene gezielt zu verändern. Verfahren dieser Art werden unter dem englischen Begriff 'Genome Editing' (oder auch 'Gene Editing') zusammengefasst. Der Begriff macht deutlich, dass moderne Genforscher ähnlich arbeiten wie Journalisten: Sie löschen 'Wörter', setzen neue ein oder korrigieren 'Tippfehler', einfach mit dem Unterschied, dass Genforscher nicht mit Buchstaben, sondern mit den vier verschiedenen Bausteinen des Erbguts (Basenpaare) arbeiten und damit 'editierte Zellen' herstellen.

Spurloser Eingriff

Früher war von 'Genome Engineering' die Rede, heute spricht man von 'Genome Editing'. Der neue Begriff veranschaulicht, dass die neue Methode der Molekularbiologie nicht nur schneller und einfacher, sondern auch präzisier ist als die Vorgängermethode der sogenannten 'homologen Rekombination'. Eine weitere Eigenheit der CRISPR/Cas9-Methode: Sie hinterlässt keine Spuren im Erbgut. Als man früher 'transgene' Tiere oder Pflanzen schuf, wurde meist irgendwo zufällig im Erbgut zusätzlich eine funktionierende Kopie eines defekten Gens eingebaut, um die Funktion des defekten Gens zu ersetzen (z.B. die Resistenz von Mais gegen Mehltau). Mit der neuen Methode ist es möglich, das defekte Gens direkt zu reparieren, ohne dass Spuren des Eingriffs hinterlassen werden. Anders ausgedrückt: Ein durch CRISPR/Cas9-Editierung repariertes defektes Gen lässt sich nicht mehr vom normal funktionierenden Gen unterscheiden. Genetische Schäden – so die faszinierende, bisher allerdings noch unerfüllte Hoffnung – könnten künftig quasi wie von Geisterhand behoben werden.

Die Serie "Das neue Versprechen der Gentechnik" erläutert die Funktionsweise der gentechnischen Methode und zeigt ihre medizinischen Anwendungsperspektiven auf. Bereits erschienen ist der Beitrag "Die Gen-Schere der Bakterien" . Die einzelnen Beiträge erscheinen in loser Folge.

Die CRISPR/Cas9-Methode leistet wertvolle Dienste bei der Erforschung genetisch bedingter #Krankheiten. http://bit.ly/2mkU340 #iph
Mikroinjektion_Stammzellen
Mikroinjektion von genetisch veränderten embryonalen Stammzellen in ein Mäuseembryo vor der Implantation.
 

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