Neues CRISPR-Werkzeug beseitigt unerwünschte Zellen im Handumdrehen

Eine neue CRISPR-Technologie ermöglicht, eukaryotische Zellen anhand ihres Transkriptoms gezielt zu eliminieren – ohne messbare Off-Target-Effekte. Damit eröffnen sich neue Perspektiven in vielen Bereichen der Biologie.

Viele Anwendungen – ob in der Medizin, der Biotechnologie oder in der Landwirtschaft – erfordern die gezielte Abtötung unerwünschter Zellen. Denn diese Zellen können beispielsweise die Gesundheit gefährden, die Produktivität beeinträchtigen oder gewünschte biologische Prozesse stören. Die Herausforderung besteht jedoch darin, dies zu erreichen, ohne dabei andere Zellen zu beeinträchtigen.

Forschende des Helmholtz-Instituts für RNA-basierte Infektionsforschung (HIRI) in Würzburg haben gemeinsam mit einem Industriepartner und Wissenschaftlern aus den USA nun ein CRISPR-basiertes Werkzeug entwickelt, das anhand eines erfassten Transkripts bestimmte Zellen gezielt eliminieren kann. Die Ergebnisse sind heute im Fachmagazin „Nature“ erschienen.

Gezielte Abtötung mittels CRISPR-Cas

Die Identität und das Verhalten einer Zelle werden unter anderem dadurch bestimmt, welche ihrer Gene gerade aktiv sind. Anhand dieses Aktivitätsmusters lassen sich Zellen unterscheiden und identifizieren, und das selbst in gemischten Populationen. Dies ist insbesondere dann von Nutzen, wenn bestimmte Zelltypen entfernt werden müssen, beispielsweise weil sie defekt oder entartet sind.

Geht es um Bakterien, bieten CRISPR-Technologien bereits vielversprechende Möglichkeiten, spezifische Mikroben zu erkennen und zu eliminieren. Sie basieren auf dem bakteriellen Immunsystem CRISPR-Cas, bei dem eine RNA die Zielsequenz vorgibt und ein Cas-Protein als Nuklease wirkt. Wählt man die Guide-RNA (gRNA) so, dass sie nur zur DNA eines bestimmten Bakteriums passt, wird genau dessen Erbgut erkannt.

Frühere Arbeiten mit Beteiligung des HIRI, die 2023 in Nature veröffentlicht wurden, haben gezeigt, dass die CRISPR-Nuklease namens Cas12a2 über eine RNA-Zielsequenz eine unspezifische Spaltung sämtlicher Nukleinsäuren auslöst – insbesondere RNA, einzelsträngige DNA und doppelsträngige DNA. „Das führt zu umfangreichen DNA-Schäden in Bakterien, wodurch deren Wachstum gestoppt und somit die Ausbreitung eines erkannten Eindringlings verhindert wird“, sagt Chase Beisel, affiliierter Abteilungsleiter am HIRI und einer der korrespondierenden Autor:innen der aktuellen Studie.

Cas12a2 auch in eukaryotischen Zellen effektiv

„Im Gegensatz zu aktiviertem Cas9, das eine einzelne präzise Schnittstelle in der gebundenen DNA erzeugt, zerschneidet RNA-aktiviertes Cas12a2 alle DNA, die es antrifft, und tötet so die Zelle“, erklärt Ryan Jackson, Professor an der Utah State University (USA) und korrespondierender Mitautor der Studie. Mit dieser Nuklease wird die Zielsequenz daher nicht korrigiert oder modifiziert, sondern sozusagen „geschreddert“.

Bislang war jedoch unbekannt, welche Auswirkungen Cas12a2 in eukaryotischen Zellen hat. Das Forschungsteam stellte fest, dass Cas12a2 in Hefe- und menschlichen Zellen jene mit dem Zieltranskript stilllegte. Diejenigen, denen die Zielsequenz fehlte, blieben verschont. „Die Zellabtötung erfolgte sequenzspezifisch, zeigte eine hohe Sensitivität gegenüber Fehlpaarungen und trat ohne messbare unbeabsichtigte Effekte auf“, so Beisel.

Vielseitige Möglichkeiten, kaum Off-Target-Effekte

Die Forschenden der aktuellen Studie demonstrieren das Potenzial ihrer Technologie an drei unterschiedlichen Ansätzen: Sie eliminierten mithilfe von Cas12a2 sowohl virusinfizierte Zellen als auch Krebszellen, die eine Punktmutation im Onkogen KRAS trugen. Außerdem lassen sich Zellen aussortieren, bei denen eine Gen-Editierung nicht erfolgreich war. So können erfolgreich veränderte Zellen angereichert und so die Qualität von Genbearbeitungen verbessert werden.

Von der Onkologie über chronische Infektionen bis hin zur Genbearbeitung: Die Möglichkeit, Zellen anhand ihres Transkriptoms gezielt zu eliminieren, eröffnet somit neue Perspektiven. Cas12a2 könne mit einer Leit-RNA so programmiert werden, dass es auf jede beliebige RNA-Sequenz abziele, erklärt Jackson. Auch die anfänglichen Bedenken hinsichtlich möglicher Off-Target-Effekte wurden nicht bestätigt.

„Wir glauben, einen Weg gefunden zu haben, um Zellen in allen Bereichen der Biologie selektiv auszuschalten“, so Jackson. Beisel fügt hinzu: „Wir hoffen, dass die Forschungsgemeinschaft diese neuen Möglichkeiten genauer untersuchen wird und herausfindet, wie sie über unsere Proof-of-Principle-Studie hinaus weiter verbessert und angewendet werden können.“ Das Forschungsteam selbst plant, Cas12a2 für klinische Anwendungen weiterzuentwickeln. Gleichzeitig wird es ebenfalls nach Wegen suchen, die Technologie zu verbessern und auszuweiten. (mkl)

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