Schattenblick → INFOPOOL → UMWELT → REDAKTION


GENTECHNIK/310: CRISPR-Cas - Wachsender Kontrollbedarf ... (SB)



Am 25. Juli 2018 hat der Europäische Gerichtshof (EuGH) entschieden, daß die mikrobiologische Methode des Genom-Editierens unter die Gentechnikgesetzgebung fällt [1]. Im Vorwege des Urteils hatten Wissenschaftler verschiedener Fachrichtungen argumentiert, daß es sich um keine Gentechnik handelt, da mit keinem artfremden Erbmaterial gearbeitet würde und die Natur theoretisch zu den gleichen Resultaten gelangen könnte wie der Mensch mit seinem Eingriff.

Im folgenden wird ausgeführt, daß auch bei einem anderslautenden Urteil des EuGH dennoch eine strikte Regulierung gerechtfertigt wäre, weil Eingriffstiefe und -geschwindigkeit der neuen Methoden, die bei Pflanzen, Tieren und Menschen angewendet werden, alle bisherigen Verfahren um Längen hinter sich lassen. Hinzu kommt, daß erstens die Methode nicht so zielgenau ist, wie die hochgesteckten Erwartungen und geradezu begeisterten Erklärungen seitens der Wissenschaft vermuten lassen, zweitens selbstverständlich nicht nur transgene Substanzen, sondern auch beispielsweise durch Umwelteinflüsse erzeugte Veränderungen des Genoms (Mutagenese) drastische Folgen zeitigen können und drittens nicht allein das Hinzufügen bestimmter Eigenschaftsträger, sondern auch deren Heraustrennen Wirkungen auslösen kann, die vielleicht nicht sofort erkennbar sind und erst in späteren Generationen dominant und formbestimmend werden.

Ähnlich wie bei der Grünen Gentechnik besteht auch beim "genome editing" die Gefahr der unkontrollierten Weitergabe unbeabsichtigter Eigenschaften. Außerdem sind damit Eingriffe in die menschliche Keimbahn möglich. Die Entwicklung von Designerbabys, die beispielsweise die von den Eltern beim Humangenetiker erworbenen Eigenschaften aufweisen, rückt damit näher. Vorstellbar wäre der Wunsch, nur blonde und blauäugige oder besonders muskelbepackte Menschen, vielleicht sogar Menschen, deren Sinneswahrnehmung, Gedächtnisleistung, Reaktionszeit, etc. gesteigert wurde, zu "produzieren".

Das ist vielleicht Zukunftsmusik, aber chinesische Wissenschaftler haben bereits an Stammzellen gezeigt, daß Genom-Editierung bei menschlichen Zellen funktioniert. Weitere, nicht minder die Grenzen des bisher Machbaren verschiebende Forschungen werden in der Tier- und Pflanzenzucht betrieben. Im Mittelpunkt der Aufmerksamkeit steht ein 2012 im Wissenschaftsmagazin "Science" beschriebenes Verfahren mit der Bezeichnung CRISPR-Cas9 [2].

In dem Beitrag schildert eine Forschergruppe, die angibt, zu gleichen Teilen an der Arbeit beteiligt gewesen zu sein, doch von der die beiden Forscherinnen Jennifer A. Doudna und Emmanuelle Charpentier international am bekanntesten geworden sind, wie sie sich einen Abwehrmechanismus, den Bakterien gegen die Infektion mit Viren einsetzen, zunutze gemacht haben.

Man stellt sich das so vor, daß Bakterien einen Teil des Viren-Erbguts herausschneiden und in die eigene Immunabwehr - die CRISPR-Sequenzen - einbauen. Das ist dann eine Art Gedächtnis oder auch Bibliothek, weil zwischen den beiden CRISPR-Sequenzen weitere fremde Genbestandteile gesammelt werden können. Wird das Bakterium erneut befallen, erkennt es den Gegner und zerschneidet dessen Erbgut mit einem Cas-Enzym. Dadurch wird das Virus unschädlich gemacht.

In der Pflanzen- und Tierzüchtung und der Behandlung von Menschen gegen Krankheiten wie beispielsweise Krebs und HIV/Aids wird nicht nur versucht, die als Träger der Erbsubstanz beschriebene Doppelhelix mit ihren beiden DNA-Strängen an der richtigen Stelle zu trennen, um den "Code" für eine bestimmte unerwünschte Eigenschaft herauszuschneiden. An der Schnittstelle sollen gegebenenfalls andere, diesmal erwünschte Genbestandteile neu eingefügt werden.

Hinter dem, was hier verkürzt beschrieben wird, steckt eine Reihe komplexer molekularbiologischer Vorgänge, die allerdings im Labor relativ unkompliziert durchgeführt werden können. Das ist einer der Gründe für den enormen Hype, der in den letzten sechs Jahren in der Wissenschaft um das CRISPR-Cas-Verfahren gemacht wird.


Grafik: Guido4, CC BY-SA 4.0 [https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.en]

Für die, die genauer wissen wollen, wie die Modellvorstellung zu CRISPR-Cas9 aussieht:
CRISPR-Cas9 kann als molekulares Werkzeug gezielte DNA-Doppelstrangbrüche einführen. Wenn die Sequenzen von tracrRNA und crRNA mit einem Tetraloop verbunden werden, entsteht eine single-guidance RNA (sgRNA), welche sich chemisch einfach synthetisieren läßt. So wird CRISPR-Cas9 zum einfach programmierbaren Werkzeug. Der Komplex aus sgRNA und Cas9 scannt intrazelluläre DNA nach einem Protospacer Adjacent Motif (PAM). Wird ein solches Motiv gefunden, wird die komplementäre DNA mit der crRNA-Region verglichen. Stimmen diese überein, so wird der DNA-Doppelstrang geschnitten. Die HNH-Domäne schneidet den Ziel-Strang, während die RuvC-Domäne den gegenüberliegenden Strang schneidet.
Grafik: Guido4, CC BY-SA 4.0 [https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.en]

In der Pflanzenzüchtung findet CRISPR-Cas eine breite Anwendung. In Laboren rund um den Globus wird an Nahrungspflanzen geforscht, beispielsweise damit sie nicht so schnell ihre Struktur verlieren und verfallen (Tomate), höhere Erträge liefern (Hybridweizen), gut mit Trockenstreß umgehen (Mais) oder resistent gegen bestimmte Schädlinge (Sojabohnen) werden.

Schon heute hungern 815 Millionen von weltweit rund 7,2 Milliarden Menschen. Im Jahr 2050 werden voraussichtlich über neun Milliarden Menschen die Erde bevölkern. Allein in der Steigerung der Erntemengen die Lösung des sich in Zukunft womöglich noch verschärfenden Hungerproblems zu sehen, lenkt davon ab, daß durch die vorherrschende Eigentumsordnung einige wenige Menschen nahrungsbegünstigt und viele andere benachteiligt werden. Während im Globalen Norden Mais, Weizen und andere Nahrungsmittel verbraucht werden, nur damit Autos von A nach B fahren können, hat im globalen Süden eine Vielzahl von Kleinbauern nicht einmal genug zu essen (geschweige denn ein Auto).

Das vorweggeschickt soll hier nicht den Bemühungen der Pflanzenforschung, Ertragssteigerungen erzielen zu wollen, entgegengetreten werden. Der Nahrungsmangel wird nicht nur durch das Bevölkerungswachstum verstärkt, sondern auch durch den Klimawandel. In einer vor rund einem Jahr in den Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlichten Metastudie heißt es, daß bei einer durchschnittlichen Erwärmung der Erde um ein Grad die globalen Erntemengen von Weizen gegenüber heute um 6,0 Prozent, Reis 3,2 Prozent, Mais 7,4 Prozent und Soja 3,1 Prozent geringer ausfallen werden. [3]

Die Erde bewegt sich jedoch nicht auf einen Temperaturanstieg um ein, sondern um drei bis vier Grad bis Ende des Jahrhunderts zu. Andere Einschätzungen gehen sogar noch darüber hinaus. Somit läßt sich absehen, daß die Mangellage extrem zunehmen und andere Produktionsmittel und -methoden gefragt sein werden, als sie heute bekannt sind. Denn eine Erweiterung der landwirtschaftlichen Fläche ist kaum mehr möglich, wie der Pflanzengenetiker Prof. Dr. Andreas Graner, geschäftsführender Direktor und Leiter der Abteilung Genbank am Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben, auf der Botanikertagung 2017 in Kiel berichtete. [4]

Eine Woche vor Bekanntgabe des EuGH-Urteils haben sich mehrere Dutzend Organisationen und Einzelpersonen in einem offenen Brief an EU-Kommissionspräsident Jean-Claude Juncker gewandt und darin eine Stellungnahme abgegeben, derzufolge "neue Züchtungsmethoden" wie CRISPR-Cas keine Gentechnik sind. [5] Solche Bemühungen seitens Industrie und Wissenschaft, um zu verhindern, daß die CRISPR-Cas- und ähnliche Methoden unter die Gentechnikbestimmungen fallen, vermochten den EuGH nicht zu überzeugen. In einer Presseerklärung begründet das Gericht sein Urteil so:

"Mit der unmittelbaren Veränderung des genetischen Materials eines Organismus durch Mutagenese lassen sich die gleichen Wirkungen erzielen wie mit der Einführung eines fremden Gens in diesen Organismus, und die neuen Verfahren ermöglichen die Erzeugung genetisch veränderter Sorten in einem ungleich größeren Tempo und Ausmaß als bei der Anwendung herkömmlicher Methoden der Mutagenese. In Anbetracht dieser gemeinsamen Gefahren würde durch den Ausschluss der mit den neuen Mutagenese-Verfahren gewonnenen Organismen aus dem Anwendungsbereich der GVO-Richtlinie deren Ziel beeinträchtigt, schädliche Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und die Umwelt zu verhindern." [6]

Außerdem hat das Gericht auf das Vorsorgeprinzip verwiesen, wonach Schaden von der Bevölkerung abzuwenden sei.

Nun hatten die Befürworter dieser Methode erklärt, daß sich das Ergebnis des Genom-Editierens nicht von einer natürlichen Mutagenese unterscheiden läßt, man somit vom Produkt her nicht feststellen kann, welcher Prozeß zu ihm geführt hat. Das ist jedoch umstritten. Zwar wurde im April dieses Jahres eine spektakuläre "Nature"-Studie [7] aus dem Vorjahr wieder zurückgezogen, derzufolge CRISPR-Cas9 zu über 1500 unerkannten Mutationen in einer Maus geführt haben soll - die Herkunft der Mutationen konnte letztlich nicht verifiziert werden -, aber damit ist das Thema nicht vom Tisch. Mutmaßliche Erfolgsgeschichten in der Handhabung des CRISPR-Cas-Mechanismus werden begleitet von Berichten über dessen potentielle Schädlichkeit.

So haben Wissenschaftler des Karolinska-Instituts in Stockholm und der Pharmaunternehmen Novartis und AbbVie unabhängig voneinander festgestellt, daß das CRISPR-Cas-Verfahren ausgerechnet den zellulären Reparaturmechanismus mit der Bezeichnung p53 ausschaltet. Dieser schränkt unter anderem die Entstehung von Krebszellen ein, indem er Brüche im Erbgut repariert. [8]

Es wäre pervers, würde ausgerechnet ein Mittel, das gegen Krebs eingesetzt werden soll, eben diesen provozieren. Das auch "Gen-Schere" genannte Verfahren schneidet jedenfalls nicht so präzise wie behauptet. Beispielsweise durchtrennt die Gen-Schere möglicherweise auch ähnliche Stellen im Erbgut. Außerdem muß bedacht werden, daß kein Erbgut identisch mit einem anderen ist. Vermag also eine hochpräzise Schere, so sie existiert, immer genau jene Stelle zu durchtrennen, die erwünscht ist und würde das bei allen Menschen, Tieren oder Pflanzen die gleichen Folgen zeitigen? Und was passiert, wenn sich unerwünschte DNA-Schnipsel in das mittels CRISPR-Cas aufgeschnittene Erbgut einfügen, von der RNA abgelesen werden und bei der Eiweißsynthese etwas bewirken, mit dem man nicht gerechnet hat? Gewiß, das kann auch auf natürliche Weise geschehen, sobald so ein DNA-Strang reißt. Aber würde nicht die gezielte Anwendung von CRISPR-Cas-Verfahren dieses Risiko noch erhöhen?


Grafik: Guido4, CC BY-SA 4.0 [https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.en]

Und noch etwas genauer:
Zelluläre Reparaturmechanismen von DNA-Doppelstrangbrüchen eröffnen den Weg zu genetischer Manipulation. Doppelstrang-DNA-Brüche können mittels "Non Homologuous End Joining" (NHEJ) oder "Homolgy Directed Repair" (HDR) repariert werden. Beim NEHJ kann es zu Insertionen oder Deletionen von Basen kommen (Indel-Mutationen). Dadurch können Gene in ihrer Funktion zerstört werden. Beim HDR kann ein DNA-Vorlage eingebaut werden, wodurch neue Sequenzen ins Genom eingeschleust werden können. Beide Wege können zur gezielten Manipulation am Erbgut benutzt werden.
Grafik: Guido4, CC BY-SA 4.0 [https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.en]

Die CRISPR-Cas-Forschung befindet sich im Fluß. Die entsprechenden Verfahren stecken noch in den Kinderschuhen, Langzeituntersuchungen konnten noch nicht durchgeführt werden. Welche Folgen die Vererbung eines gentechnischen Eingriffs an spätere Generationen hat, ist offen. Die Vorstellung, daß eine per CRISPR-Cas und eine natürlich entstandene Mutagenese das gleiche Resultat hervorbringen, sollte zu denken geben. Denn es zeigt nicht die Harmlosigkeit des Verfahrens. Umgekehrt wird ein Schuh daraus. Eben weil durch den künstlichen Eingriff sogenannte Off-target-Effekte auftreten, da die Gen-Schere, wie oben erwähnt, nicht nur den Zielbereich im Erbgut, sondern auch einen ähnlich aussehenden Bereich zerschneiden kann, mahnt das Verfahren zu größter Wachsamkeit. Schließlich ist es nicht selbstverständlich, daß solche Effekte erkannt werden.

Einige Wissenschaftler behaupten, daß das Problem der Off-target-Effekte weitgehend eingedämmt werden kann, doch wer wollte seine Hand dafür ins Feuer legen, daß sich diese Effekte nicht in einer späteren Generation stärker ausprägen? Schließlich könnte es geschehen, daß die "Schere", das Cas-Enzym, noch viele Jahre im lebenden Organismus verbleibt und das weitermacht, für das sie geschaffen worden war, nämlich DNA-Doppelstränge zu zerschneiden. Eine der Antworten der Wissenschaft auf diese Gefahr lautet, das Enzym nach Erfüllung seiner Aufgabe zu immobilisieren. Da stellt sich jedoch die Frage, ob nicht wiederum der Immobilisierungsmechanismus zu neuen Unsicherheiten führt.

Einer der Experten für neue Züchtungsmethoden, Prof. Dr. Andreas Weber, Leiter des Instituts für Biochemie der Pflanzen und Sprecher des Exzellenzclusters für Pflanzenwissenschaften CEPLAS (Cluster of Excellence on Plant Sciences) an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, bezeichnet die Entscheidung des EuGH als "nicht nachvollziehbar und nicht durch wissenschaftliche Erkenntnisse begründbar". Denn natürlich entstandene genetische Varianten und durch Genome Editing erzeugte Pflanzen seien "ununterscheidbar". Genom-editierte Pflanzen hält Weber für "wesentlich sicherer als durch chemische Mutagenese erzeugte Linien, da letztere sehr viel mehr Mutationen mit unbekannten Auswirkungen tragen". [9]

Wer das Urteil des EuGH liest, gewinnt allerdings nicht den Eindruck, daß das Gericht Webers Argumente nicht begriffen hätte. Das geht zum Beispiel aus der pragmatischen Erklärung hervor, daß seit langem bewährte und als sicher geltende Mutagenese-Verfahren von der Gentechnikgesetzgebung ausgenommen werden. Das EuGH sollte nicht darüber urteilen, ob neue mikrobiologische Züchtungsmethoden wie CRISPR-Cas weniger Risiken bergen als die Grüne Gentechnik. Sondern der Kläger, der französische Landwirtschaftsverband Confédération paysanne, der die Interessen landwirtschaftlicher Betriebe vertritt, wollte vom Gerichtshof wissen, ob durch Mutagenese gewonnene Organismen GVO sind und den in der GVO-Richtlinie vorgesehenen Verpflichtungen unterliegen.

Das Gericht hat somit zunächst einmal einen Dammbruch in der (Züchtungs-)Forschung von Mensch, Tier und Pflanze verhindert, indem es der Politik Maßstäbe an die Hand gegeben hat, wie sie mit den bis zur Urteilsfindung "im Stau" steckengebliebenen rechtlichen Bestimmungen weiter verfährt.

So überzeugt Prof. Weber von der Nützlichkeit der neuen Pflanzenzüchtungsmethoden ist, räumt auch er ein, daß die Wissenschaft selbst in Grundsatzfragen noch reichlich Klärungsbedarf hat. Er möchte die klassische Züchtungsforschung, bei der rückblickend geschaut wird, was geschaffen wurde, überwinden zugunsten einer prognosesicheren Pflanzenzüchtung. Im Gespräch mit dem Schattenblick sagte er am Rande der Botanikertagung 2017 in Kiel:

"Eine weitere wichtige Fragestellung ist die Genotyp-Phänotyp-Assoziation. Wie bestimmen Gene das Aussehen eines Organismus und seine Eigenschaften? Wir können eine Gensequenz aufschreiben wie die Buchstaben in einem Heft. Aber wir sind nicht in der Lage, aus diesen Buchstaben abzulesen, was daraus entstehen kann. Das ist eine der größten Fragestellungen in der Biologie. Diesen Code müssen wir knacken, wenn wir wirklich vorhersagend werden wollen. So daß wir sagen können, jenes Pflanzengenom hat jene Sequenz, dann wird der Ertrag unter bestimmten Umweltbedingungen so und so sein." [10]

Weber verdeutlichte die Nützlichkeit einer solchen Vorhersage am Beispiel des Klimawandels. Sollte die globale Erwärmung um zwei Grad zunehmen, wäre die Pflanzenzüchtung in der Lage zu sagen, welche Basenpaare im Genom einer Pflanze geändert werden müßten, damit sie unter den veränderten Umweltbedingungen hohe Erträge abwirft.

Abschließend sei angemerkt: Nur weil das EuGH nicht den Erwartungen von Wissenschaft und Industrie entsprochen und die neuen Züchtungsverfahren der bestehenden Gentechnikgesetzgebung unterworfen hat, bedeutet das nicht, daß diese im Jahr 2001 geschaffenen Bestimmungen weit genug gehen, um CRISPR-Cas Zügel anzulegen und einen womöglich erst in späteren Generationen zu Tage tretenden Kontrollverlust zu verhindern.


Fußnoten:

[1] tinyurl.com/yapfepwz

[2] http://science.sciencemag.org/content/337/6096/816

[3] http://www.pnas.org/content/114/35/9326

[4] http://schattenblick.de/infopool/umwelt/report/umrb0127.html
Ein Interview mit Prof. Graner: http://schattenblick.de/infopool/umwelt/report/umri0261.html

[5] https://www.deutsche-botanische-gesellschaft.de/fileadmin/user_upload/pdf_2018/2018-07-18_Offener-Brief_EU-Kommission.pdf

[6] https://curia.europa.eu/jcms/upload/docs/application/pdf/2018-07/cp180111de.pdf

[7] https://www.nature.com/articles/nmeth.4293#change-history

[8] https://www.nature.com/articles/s41591-018-0049-z.epdf
und hier: https://www.nature.com/articles/s41591-018-0050-6.epdf

[9] https://idw-online.de/de/news700059

[10] Ein Interview mit Prof. Weber: http://schattenblick.de/infopool/umwelt/report/umri0262.html

17. August 2018


Zur Tagesausgabe / Zum Seitenanfang