Samstag, Juni 22, 2024

CRISPR-Cas9 gegen Gendefekt in iPS-Zellen

Das CRISPR-Cas9-System wird zum gezielten Bearbeiten von Erbmaterial eingesetzt. Der Wirkmechanismus entstammt Bakterien, die sich so vor Viren schützen.

Forscher der Medizinischen Hochschule Hannover (MHH) haben eine Methode entwickelt, um von Patienten abgeleitete induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen) mit dem Werkzeug CRISPR-Cas9 besser genetisch zu korrigieren. Das Team um Professor Dr. Tobias Cantz, MHH-Klinik für Gastroenterologie, Hepatologie und Endokrinologie, wählte hierfür die Methode der Cas9-Nickase kombiniert mit einer Zweifarben-Selektion. „CRISPR-Cas9 schneidet bisher ziemlich effizient, die punktgenaue Korrektur mit dem Werkzeug war jedoch noch recht ineffizient“, sagt Professor Cantz. „Die von uns entwickelte Methode ermöglicht es nun, nicht aktiv abgelesene Gene effizient zu korrigieren.“ Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in dem Fachjournal „Scientific Reports“.

Mit der Methode gelang es den Wissenschaftlern, den Gendefekt in iPS-Zellen zu korrigieren, der zu der Stoffwechselerkrankung „Alpha-1-Antitrypsin-Mangel“ führt. Die Erkrankung tritt meist bereits im Kindesalter auf und kann Leberzirrhose und Lungenemphyseme verursachen. Zwei Hürden mussten die Wissenschaftler bei der Genkorrektur überwinden: Bei den meisten Erkrankten liegt der Gendefekt sowohl im mütterlichen als auch im väterlichen Chromosomensatz der Zelle vor. Aber auch eine einzelne mutierte Kopie kann bereits problematisch sein. Daher mussten die Forscher zum einen sicherstellen, dass das krankheitsverursachende Gen in den von Patienten abgeleiteten iPS-Zellen auch in beiden Chromosomensätzen korrigiert wird. Zum anderen mussten sie die Methode der Genkorrektur so optimieren, dass auch nicht aktiv abgelesene Gene effizient modifiziert werden. Denn: Das Gen wird erst abgelesen, wenn sich die Stammzelle in eine Leberzelle spezialisiert.

Das CRISPR-Cas9-System

Das CRISPR-Cas9-System ist ein biotechnologisches Werkzeug, das Forscher zum gezielten Bearbeiten von Erbmaterial einsetzen. Der zugrundeliegende Mechanismus entstammt Bakterien, die sich damit vor Viren schützen. Indem sie bestimmte Sequenzen in deren Genom erkennen und es dort zerschneiden, machen sie die Viren unschädlich. Diese Sequenzerkennung nutzen Forscher auch im Labor, um gezielte Eingriffe in das Erbgut von Zellen vorzunehmen. In Zukunft sollen so Erbkrankheiten behandelt werden. Auch eine Umprogrammierung des Immunsystems gegen den Aids-Erreger HIV ist denkbar.

Die Cas9-Nickase. „Mit unserer verbesserten CRISPR-Cas9-Toolbox können wir auch inaktive Gene effizient verändern beziehungsweise korrigieren“, sagt Dr. Reto Eggenschwiler, Erstautor der Studie. Bei der von den Forschern verwendeten Nickase-Methode schneidet das Cas9-Enzym nur jeweils einen Einzelstrang des doppelsträngigen Erbguts (DNA). Durch zwei leicht verschobene, gegenüberliegende Schnitte entsteht ein Überhang, der die punktgenaue Genkorrektur zusätzlich stimuliert. Die Wissenschaftler nutzten den daraufhin einsetzenden zellulären Reparaturmechanismus, um das korrigierte Gen sowie eine farbmarkierte Selektionskassette in das Erbgut der iPS-Zellen einzubauen.

Die Zweifarben-Selektion. Um zu prüfen, ob die Gene in beiden Chromosomen der Zellen korrigiert wurden, verwendete Dr. Eggenschwiler zwei unterschiedliche Farbkassetten. „Wenn die Zellen sowohl rot als auch grün leuchten, konnten wir davon ausgehen, dass beide Gene korrigiert wurden“, erklärt der Wissenschaftler. Alle so identifizierten Zellen waren nach einem weiteren Arbeitsschritt erfolgreich korrigiert. „Das ist eine ungewöhnlich hohe Ausbeute für die Korrektur mit CRISPR-Cas9.“

Die Studie wurde unterstützt durch den Exzellenzcluster REBIRTH (Von Regenerativer Biologie zu Rekonstruktiver Therapie) sowie den Sonderforschungsbereich 738 der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG).

Originalpublikation: http://www.nature.com/articles/srep38198.

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