CRISPR/Cas9 – die Genschere

Ein Werkzeug aus Bakterien, mit dem sich fast jedes Gen an einer selbst gewählten Stelle zerschneiden lässt: Das ist CRISPR/Cas9, die „Genschere“. Seit 2012 hat sie die Biologie verändert, 2020 gab es dafür den Nobelpreis – und seit 2023 ist die erste CRISPR-Therapie für Patientinnen und Patienten zugelassen.

Ein Immunsystem aus Bakterien

Auch Bakterien werden von Viren angegriffen. Diese Viren heißen Bakteriophagen (kurz Phagen): Sie schleusen ihre DNA in das Bakterium und lassen sich dort vermehren. Viele Bakterien haben eine Abwehr entwickelt, die wie ein Gedächtnis funktioniert.

Überlebt ein Bakterium einen Angriff, baut es ein kurzes Stück der Phagen-DNA in einen besonderen Abschnitt seines eigenen Erbguts ein. Dieser Abschnitt heißt CRISPR (englisch clustered regularly interspaced short palindromic repeats, etwa „gehäufte, regelmäßig unterbrochene kurze Wiederholungen“). Dort wechseln sich immer gleiche Wiederholungen mit diesen Virus-Schnipseln ab, den Spacern. Das Bakterium schreibt die Spacer in kurze RNA-Stücke um. Kommt derselbe Phage wieder, erkennt die RNA seine DNA durch Basenpaarung. Ein Protein aus der Cas-Familie (CRISPR-assoziiert) zerschneidet sie dann. 2007 zeigten Forschende das an Milchsäurebakterien, die für die Joghurtherstellung genutzt werden.

Emmanuelle Charpentier und Jennifer Doudna erkannten, dass sich dieses System umbauen lässt: Tauscht man die Erkennungssequenz der RNA aus, schneidet das Protein Cas9 (aus dem Bakterium Streptococcus pyogenes) jede gewünschte DNA-Stelle. Ihre Arbeit erschien im Juni 2012 in der Zeitschrift Science.

So funktioniert die Genschere

Die Genschere hat zwei Teile: das Schneideprotein Cas9 und eine Guide-RNA („Führungs-RNA“). Die Guide-RNA enthält eine 20 Basen lange Erkennungssequenz, die Forschende passend zum Ziel-Gen entwerfen, und ein Gerüst, mit dem sie an Cas9 bindet. Dass es inzwischen auch ohne vollständigen Doppelstrangbruch geht, zeigt das Kapitel zu Base Editing und Prime Editing.

1. Guide-RNA entwerfenForschende wählen im Ziel-Gen eine 20 Basen lange Stelle, hinter der eine PAM liegt, und bauen die passende Erkennungssequenz in die Guide-RNA ein.
2. Komplex bildenGuide-RNA und Cas9 lagern sich zu einem Komplex zusammen. Er wird in die Zellen gebracht, zum Beispiel als fertiger Komplex, als mRNA oder über einen Vektor.
3. PAM suchenDer Komplex gleitet an der DNA entlang und stoppt nur an einer PAM (protospacer adjacent motif). Für Cas9 lautet sie NGG: eine beliebige Base (N), dann zwei G.
4. AbgleichenCas9 öffnet den Doppelstrang. Die Guide-RNA prüft per Basenpaarung, ob der Zielstrang passt. Nur bei (nahezu) vollständiger Übereinstimmung geht es weiter.
5. SchneidenCas9 durchtrennt beide DNA-Stränge drei Basenpaare vor der PAM. Es entsteht ein Doppelstrangbruch.

Nach dem Schnitt: Die Zelle repariert

Cas9 schneidet nur. Was danach passiert, entscheidet die Zelle selbst: Ein Doppelstrangbruch ist gefährlich, deshalb repariert sie ihn sofort. Dafür gibt es zwei Hauptwege (mehr dazu auf der Seite Reparatur der DNA):

NHEJ (non-homologous end joining, nicht-homologe Endverknüpfung) klebt die Enden einfach wieder zusammen. Das geht schnell, ist aber fehleranfällig: Oft fehlen danach ein paar Basen oder es sind welche dazugekommen. Liegt die Stelle in einem Gen, verschiebt sich meist das Leseraster – ab dort werden die Basentripletts falsch abgelesen, und häufig entsteht ein vorzeitiges Stoppcodon. Das Gen ist dann ausgeschaltet. Diesen gezielten Ausfall nennt man Knock-out.

HDR (homology-directed repair, homologiegesteuerte Reparatur) nutzt eine passende DNA-Vorlage. Liefern Forschende eine Vorlage mit, deren Enden zur Schnittstelle passen, kann die Zelle eine veränderte Sequenz einbauen, etwa eine korrigierte Mutation. So lassen sich Gene reparieren oder gezielt ergänzen.

Wofür CRISPR heute genutzt wird

Forschung: Schaltet man ein Gen gezielt aus und beobachtet, was dann fehlt, erfährt man, wofür es zuständig ist. Auf diese Weise werden in Laboren weltweit täglich Zellen, Mäuse oder Pflanzen untersucht. Auch Krankheitsmodelle, etwa Zellen mit einer bestimmten Krebsmutation, lassen sich so viel schneller herstellen als früher.

Medizin: Die erste zugelassene CRISPR-Therapie heißt Casgevy. Sie hilft gegen Sichelzellkrankheit und β-Thalassämie, zwei Erbkrankheiten des roten Blutfarbstoffs. Ärztinnen und Ärzte entnehmen dabei Blutstammzellen, verändern sie außerhalb des Körpers mit CRISPR und geben sie zurück. Der Schnitt schaltet einen Schalter aus, der normalerweise nach der Geburt das fetale Hämoglobin abstellt. Die Zellen bilden dann wieder diesen funktionierenden Blutfarbstoff. Zugelassen wurde Casgevy zuerst in Großbritannien (16. November 2023), dann in den USA (Dezember 2023) und in der EU (Februar 2024, bedingte Zulassung). Mehr zu solchen Verfahren findest du unter Gentherapie.

Landwirtschaft: Mit CRISPR lassen sich Pflanzen verändern, ohne fremde Gene einzubauen – etwa durch das Ausschalten eines einzelnen Gens. Die EU hat dafür 2026 die Verordnung über neue genomische Techniken (NGT) beschlossen. Sie ist seit 16. Juli 2026 in Kraft, wird aber erst ab Juli 2028 angewendet. Bis dahin gelten solche Pflanzen in der EU rechtlich als gentechnisch veränderte Organismen. Details stehen auf der Seite Gentechnik bei Pflanzen.

Risiken und Grenzen

• Off-Target-Effekte: Ähnelt eine andere Stelle im Erbgut der Zielsequenz, schneidet Cas9 dort womöglich auch. Solche Schnitte an falscher Stelle können Gene stören. Gegenmittel sind sorgfältig ausgewählte Guide-RNAs, verbesserte Cas9-Varianten und gründliche Kontrollen durch Sequenzierung.
• Unerwünschte Folgen am Ziel: Auch an der richtigen Stelle können neben kleinen Veränderungen manchmal größere Stücke verloren gehen oder umgebaut werden.
• Mosaik: Wird ein Embryo mit mehreren Zellen bearbeitet, wirkt CRISPR nicht in allen Zellen gleich. Das Lebewesen besteht dann aus Zellen mit unterschiedlichen Veränderungen.
• Transport: Die Genschere muss in die richtigen Zellen gelangen. Das ist bei Blutstammzellen außerhalb des Körpers vergleichsweise einfach, bei Organen wie Gehirn oder Muskeln deutlich schwieriger.

Ethik: Darf man Embryonen verändern?

Im November 2018 gab der chinesische Forscher He Jiankui bekannt, dass Zwillingsmädchen geboren worden seien, deren Erbgut er als Embryonen mit CRISPR verändert hatte. Er wollte das Gen CCR5 ausschalten, damit die Kinder vor HIV geschützt sind. Ein drittes Kind folgte 2019. Weltweit verurteilten Forschende den Versuch: Es gab keine medizinische Notwendigkeit, die Risiken waren unbekannt, und die Veränderungen werden an alle Nachkommen weitergegeben. Ein Gericht in Shenzhen verurteilte ihn am 30. Dezember 2019 zu drei Jahren Haft. Den gesamten Ablauf und die wissenschaftliche Kritik findest du im Kapitel über die CRISPR-Babys.

Hier liegt die wichtigste ethische Grenze: Eingriffe in Körperzellen (somatisch) betreffen nur die behandelte Person. Eingriffe in die Keimbahn – also in Ei- oder Samenzellen oder frühe Embryonen – werden vererbt. In Deutschland verbietet das Embryonenschutzgesetz (§ 5) solche Keimbahneingriffe. Mehr Argumente findest du auf der Seite Ethik und Gentechnik.

Fachbegriffe

CRISPR

Abschnitt im Bakterienerbgut aus Wiederholungen und Virus-Schnipseln (Spacern); Gedächtnis des bakteriellen Immunsystems.

Cas9

Protein, das DNA an der von der Guide-RNA vorgegebenen Stelle in beiden Strängen schneidet.

Guide-RNA

RNA mit einer 20 Basen langen Erkennungssequenz und einem Gerüst; führt Cas9 zur Zielstelle.

PAM

Kurze Sequenz direkt neben der Zielstelle (bei Cas9: NGG), ohne die Cas9 nicht schneidet.

Doppelstrangbruch

Beide DNA-Stränge sind an derselben Stelle durchtrennt.

NHEJ

Schnelle, fehleranfällige Reparatur: Bruchenden werden direkt verbunden; führt oft zum Knock-out.

HDR

Reparatur nach einer Vorlage; ermöglicht gezielte Korrekturen.

Off-Target-Effekt

Unerwünschter Schnitt an einer Stelle, die der Zielsequenz ähnelt.

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