Wissenschaftler veröffentlichen Artikel zu Genome Editing

29.11.2018

Wissenschaftler der Hochschule Fulda aus dem Fachbereich Oecotrophologie sowie der Universität Kassel haben einen Artikel zum Thema Genome Editing veröffentlicht.

Der Beitrag ist in der aktuellen Ausgabe 11/2018 des Fachmagazins „Ernährungs-Umschau“ erschienen. Die Wissenschaftler beleuchten darin die Potenziale der neuen Methode des CRISPR/Cas-Systems für die Land- und Ernährungswirtschaft.

Das als Genschere bekannten CRISPR/Cas-System wurde von der Fachzeitschrift Science zum „Breakthrough of the Year 2015“ gekürt und steht im Mittelpunkt der aktuellen Diskussion um Genome Editing-Methoden. Mit diesem neuen Werkzeug ist es möglich, die DNA – den Träger der Erbinformation – einfach, kostengünstig und gezielt zu verändern. In ihrem Artikel erklären die Wissenschaftler, wie diese Methode funktioniert und was sie von den herkömmlichen Züchtungsmethoden unterscheidet. Sie gehen Fragen nach dem Potenzial, den Risiken und dem regulatorischen Rahmen nach und bilden darüber hinaus den kontroversen gesellschaftlichen Diskurs ab.

Unter Genome Editing versteht man das präzise Modifizieren von DNA-Sequenzen. Durch einen exakten Schnitt an einer bestimmten Stelle der doppelsträngigen DNA mit einer „molekularen Schere“ werden die zelleigenen Reparaturmechanismen in Gang gesetzt. Dies führt zu einer Mutation einer einzelnen Base oder ganzer Basensequenzen. Vor der Entdeckung des CRISPR/Cas-Systems war es aufwändig, komplex und teuer, DNA-Scheren herzustellen. Das Andocken an die Ziel-DNA-Sequenz war unzuverlässig und die Mutationsausbeute gering. Der Vorteil des derzeit am meisten verwendeten CRISPR/Cas-Systems: Es handelt sich um ein Nuklease-System, das sich schnell, präzise und kostengünstig anwenden lässt.

Unterschiedliche zelleigene Reparaturmechanismen
Es gibt zwei unterschiedliche Arten, wie die verschiedenen zelleigenen Mechanismen den verursachten Doppelstrangbruch reparieren: durch nichthomologe End-zu-End-Verknüpfung (nonhomologous end-joining, NHEJ) oder durch homologe Rekombination (homologous recombination, HR).

Bei der nichthomologen End-zu-End-Verknüpfung werden die Bruchstellen nur zusammengefügt und durch Ligation verbunden. Dieser Reparaturmechanismus verläuft zwar schnell, ist aber fehleranfällig. Meistens entsteht daraus eine Mutation, die, wenn sie im offenen Leseraster eines Gens lokalisiert wird, weitreichende Folgen für das codierte Protein haben kann – sogar den Verlust seiner Funktion (Mutagenese).

Bei dem Mechanismus der homologen Rekombination wird für die Reparatur der DNA die homologe Sequenz der Schwesterchromatiden als Matritze verwendet, d. h. abgelesen und in den gebrochenen Strang zur Reparatur eingefügt. Dies ist für die Zelle aufwändiger, aber deutlich exakter und weniger fehleranfällig. Die HR hat gegenüber der NHEJ also einen wesentlichen Vorteil: Sie bietet die Möglichkeit, neue Informationen in die bestehende Sequenz einzubauen, indem man Donorsequenzen zur Verfügung stellt (Transgenese).

Damit die aktuelle Debatte um die Chancen und Risiken moderner Züchtungsmethoden objektiv bewertet werden kann, ist es wichtig zu wissen, wie und mit welchen Ergebnissen die unterschiedlichen Züchtungsverfahren sowie das Genome Editing in Pflanzen funktioniert.

Bei den ursprünglichen Methoden wird der CRISPR/Cas-Komplex mit allen notwendigen Informationen zur Integration in das Genom der Zelle eingeschleust. Dieser Organismus trägt somit anschließend ein zusätzliches, eingeschleustes Gen von einer anderen Art in sich und muss als GVO (genetisch veränderter Organismus) gekennzeichnet werden.

Unsichtbares Genome Editing
Bei den neuen Ansätzen im Genome Editing bei Pflanzen versucht man, ohne jegliche in das Erbgut integrierte Fremd-DNA auszukommen. Der Arbeitsgruppe um die chinesische Wissenschaftlerin Caixia Gao ist es gelungen, Mutationen von Pflanzen herzustellen, bei denen keine Fremd-DNA nachweisbar war. Die Wissenschaftler klonierten ein rekombinates DNA-Konstrukt und schleusten es dann in die Zelle ein. In einigen Fällen war das Konstrukt mit fremdem Erbgut nicht im Genom integriert und doch wies der betroffene Weizen die durch die CRISPR/Cas hervorgerufenen Eigenschaften (hier: Resistenz gegen Mehltau) auf. Die Nachkommen dieser Pflanzen wurden mithilfe einer Genotypisierung selektiert, sodass nur solche Pflanzen weiterkultiviert wurden, in denen sich keine fremde CRISPR/Cas9-DNA nachweisen lies.

Bei einer weiteren Methode wird lediglich ein Komplex aus dem Cas9-Protein sowie einem vorgefertigten Ribonukleoprotein in die Zelle geschleust. Da hierbei kein Plasmid verwendet wird, welches die Informationen zum Bau dieser Komponenten sowie fremde DNA trägt, ist ein Einbau von Fremd-DNA ausgeschlossen. Zelleigene Enzyme bauen die eingebrachten Komponenten ab.

Klassische Züchtung – Genome Editing
Die Grundlage der Tier- und Pflanzenzüchtung bildet schon seit den frühesten Anfängen die Genetik. Durch zielgerichtete manuelle Befruchtung oder Kreuzung reinerbiger Elterngenerationen wird eine Annäherung an das jeweilige Zuchtziel erreicht (entsprechend der Mendelschen Regeln). Weitere Mutagene kamen später hinzu: ionisierende Strahlung und chemische Substanzen. 

Durch die Kombination von spontanen oder induzierten Mutationen mit molekularbiologischen Methoden können Züchtungsziele heute wesentlich schneller erreicht werden. Das Problem bei den klassischen Mutagenese-Verfahren ist, dass das Einfügen von Mutationen an unterschiedlichen Stellen im Genom der Pflanze ungerichtet (off-target) ist.

Potenziale und Risiken von Genome Editing
Durch das gezielte Einführen von Mutationen in das Genome von Pflanzen können diese so verändert werden, dass bestimmte Züchtungsziele erreicht werden, z. B. Ertragssteigerungen , Krankheitsresistenzen (mehltauresistenter Weizen) oder qualitative Verbesserungen (Mais mit niedrigem Phytatgehalt).

Weizen beispielsweise kann von Mehltau, einer Pilzerkrankung, befallen werden. Dies kann zu erheblichen Ertragsausfällen führen. Durch den Einsatz von Fungiziden kann der Befall zwar reduziert werden, gleichzeitig können sich dadurch aber Resistenzen bei dem Pilz entwickeln. Durch Untersuchungen am Genom einer mehltauresistenten Gerste konnte ein für die Resistenz wichtiges Oberflächenprotein identifiziert werden. Dieses Protein ist für das Andocken und Eindringen des Pilzes in die Zelle wichtig und bei der untersuchten Gerste nicht funktionsfähig. Bislang konnte die hieraus entstandene Resistenz nicht durch klassische Züchtungsmethoden auf den Weizen übertragen werden, da Weizen drei Ausführungen des für die Resistenz verantwortlichen Gens besitzt. Eine Mutation müsste also gleichzeitig in allen drei Genen erfolgen. Durch den Einsatz der neuen Mutagenese-Techniken (TECCDNA, TECCRNA, TECCRNP) ist dies aber nun möglich geworden – ohne den Einbau von Fremd-DNA. Ein wesentlicher Vorteil: Der Einsatz von entsprechenden Fungiziden kann vermieden werden. Bisher sind etwa 10 Pflanzen durch Methoden des Genome Editing verändert worden. Da diese keine Fremd-DNA enthalten, fallen sie gemäß US-amerikanischer Regulierung nicht unter gentechnisch veränderte Pflanzen.

Bislang gibt es nur wenige wissenschaftliche Studien zur Risikobewertung der neuen Genome Editing-Technologien. Mögliche Risiken stellen Veränderungen an unerwünschten Stellen im Erbgut dar (off-target-Mutationen) und somit eine mögliche Gefährdung der Gesundheit oder der Ökosysteme durch die unregulierte Nutzung von CRISPR/Cas in der Landwirtschaft. So kann die Präzision der Einführung von Mutationen über die Genschere CRISPR/Cas zwar durch Sequenzanalysen kontrolliert werden, Mutationen an anderen Stellen im Genom sind jedoch nur durch aufwändige, sog. Deep-sequenzing-Analysen nachweisbar. Der Grund für diese Mutationen kann aber nicht nachgewiesen werden. Insbesondere vor unkontrollierten Eingriffen in die menschliche Keimbahn, wie der aktuelle Fall chinesischer Zwillings-Babys mit editiertem Genom zeigt, warnte Emmanuelle Charpentier, eine der Entdeckerinnen der neuen CRISPR/Cas-Technologie.

Ein Risikofaktor, der gleichzeitig zu Unsicherheit bei den Verbrauchern führen kann, ist, dass genom-editiertes Saatgut oder Lebensmittel in den USA und Europa unterschiedlich reguliert werden. So könnten auf diese Weise entstandene Produkte auch den europäischen Markt erreichen, jedoch lässt sich hier nicht mehr feststellen ob sie durch Genome Editing entstanden sind oder konventionell gezüchtet wurden, da die Mutagenes-Methoden TECCDNA, TECCRNA, TECCRNP keine Marker hinterlassen.

In diesem Zusammenhang ist auch eine kontroverse Diskussion darüber entstanden, ob diese Techniken den klassischen Züchtungsmethoden gleichgesetzt oder im Sinne von GVO (gentechnisch veränderter Organismus) als Gentechnik eingestuft werden und demgemäß reguliert werden sollten. Uneinigkeit besteht vor allem darüber, ob sich die Regulierung auf den Prozess der Produktherstellung (prozessorientiert) oder lediglich auf das Endprodukt (ergebnisorientiert) beziehen sollte, da sich natürliche Mutationen bisher nicht von Mutationen unterscheiden lassen, die durch Genome Editing erzielt wurden.

Befürworter*innen des Genome Editing sehen im Falle einer Regulierung nicht nur einen erheblichen Wettbewerbsnachteil sondern auch die Zukunftsfähigkeit von Genome Editing für den europäischen Markt in Frage gestellt.

Kritiker*innen dagegen befürchten, dass bei einer Anerkennung von Genome Editing als klassische Züchtung das Vorsorgeprinzip verletzt wird. Dies stellt sicher, dass negative ökologische und gesundheitliche Auswirkungen eines neuen Produkts identifiziert werden, bevor es für den Markt zugelassen werden darf. Hinzu kommt, dass europäische Verbraucher*innen gentechnisch erzeugten Produkten eher skeptisch gegenüberstehen. Wie die Erfahrung um den Diskurs zu GVO zeigt, ist es sehr schwer, für einmal negativ besetzte Begriffe und Methoden wieder eine Akzeptanz zu finden. Jedoch sollte in diesem Kontext berücksichtigt werden, dass zum Zeitpunkt der Verabschiedung des Gentechnikgesetzes im Jahr 2001 die Genome Editing-Techniken noch nicht existierten.

Im Sommer dieses Jahres urteilte der Europäische Gerichtshof, dass durch Mutagenese gewonnene Organismen unter die GVO-Richtlinie 2001/18/EG des Europäischen Parlaments fallen und somit fortan als Gentechnik zu regulieren sind. Ausgenommen hiervon sind klassische Verfahren und Methoden der Mutagenese, da diese laut dem Urteil des EuGH „seit langem als sicher gelten“.

Unklar bleibt dabei, wo genau die Trennung zwischen neuen und alten Mutagenese-Verfahren liegt. Dagegen wird durch das Urteil deutlich ausgedrückt, dass der Begriff des genetisch veränderten Organismus ausschließlich prozessorientiert verstanden wird und somit die fehlende Unterscheidbarkeit von natürlichen und künstlichen Mutationen bei dem Endprodukt für die Definition nicht relevant ist.

Reaktionen auf das Urteil
Kritiker*innen von Gentechnik sehen das Urteil als Stärkung des europäischen Vorsorgeprinzips und der Wahlfreiheit von Verbraucher*innen. Unter anderem vom Bund ökologischer Landwirtschaft wird nun gefordert, die Kennzeichnungspflicht für durch Genome Editing erzeugte Organismen und Produkte anzuwenden. Hier stellt sich aber das Problem, dass Erzeugnisse, die durch CRISPR/Cas-Eingriffe entstanden sind, nicht von natürlichen Mutationen unterschieden und somit auch nicht gekennzeichnet werden können. Dies wird noch erschwert durch den Umstand, dass in Herstellungsländern wie beispielsweise den USA keine GVO-Kennzeichnung erfolgt.

Befürworter*innen des Genome Editing sowie Naturwissenschaftler*innen sehen durch das Urteil klassische Züchtung privilegiert und Genome Editing stigmatisiert und dadurch aus dem Wettbewerb im europäischen Markt ausgeschlossen.

Die Reaktion der Medien auf das Urteil fiel überraschenderweise kritisch aus. Hauptkritikpunkt: Die Gefahr einer Blockade von (vermeintlich) dringend benötigten Innovationen für die Landwirtschaft. Der Bioökonomierat (ein unabhängiges Beratergremium für die Bundesregierung) fordert ein neues  Gentechnikrecht, welches sich dem aktuellen Wissensstand anpasst: keine pauschale Regulierung sondern eine differenzierte Betrachtung der einzelnen Anwendung.

Angesichts der kritischen Resonanz von unterschiedlichen Seiten wird die Debatte also auch nach dem Urteil fortgesetzt. Wie es mit CRISPR in Europa weitergehen wird, ist schwer vorherzusagen. Der Diskurs zwischen den beiden Lagern zum Einsatz von Gentechnik in Deutschland ist bereits von Beginn an hochemotional. Trotz der Verfestigung der unterschiedlichen Positionen, z. B. durch die öffentliche Diskussion zu dem Pflanzengift Glyphosat, lässt sich beobachten, dass zu CRISPR/Cas die einheitlichen Meinungsbilder teilweise aufbrechen. So erregte beispielsweise der Direktor des Forschungsinstituts für Biologischen Landbau, Urs Niggli, Aufmerksamkeit, indem er CRISPR/Cas großes Potenzial für die ökologische Landwirtschaft zusprach.

Wünschenswert wäre ein gesamtgesellschaftlicher Diskurs über die Potenziale und Risiken von Genome-Editing-Techniken wie CRISPR/Cas, der möglichst vorurteilsfrei ist und die Förderung von Fragen zu unserer zukünftigen nationalen und globalen Ernährungssicherheit zum Ziel hat.

Die nächste Gelegenheit für Studierende, sich an diesem Diskurs zu beteiligen und mehr über CRISPR/Cas und Genome Editing zu erfahren, ist die Spring School vom 11.-15. März am Campus der Hochschule Fulda.


Für weitere Informationen stehen Prof. Marc Birringer (marc.birringer@oe.hs-fulda.de) sowie Inga Richter (inga.richter@oe.hs-fulda.de) zur Verfügung.

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