Jennifer Doudna und Emmanuelle Charpentier teilen sich den Chemie-Nobelpreis 2020 für ihre Entdeckung einer bahnbrechenden Genbearbeitungstechnik.Credit: Alexander Heinel/Picture Alliance/DPA
Es ist CRISPR. Zwei Wissenschaftler, die Pionierarbeit für die revolutionäre Gen-Editierungstechnologie geleistet haben, sind die Gewinner des diesjährigen Nobelpreises für Chemie.
Die Entscheidung des Nobelpreiskomitees für Emmanuelle Charpentier, die jetzt an der Max-Planck-Einheit für die Erforschung von Krankheitserregern in Berlin arbeitet, und Jennifer Doudna von der University of California, Berkeley, beendet die jahrelangen Spekulationen darüber, wer für ihre Arbeit an der Entwicklung der CRISPR-Cas9-Gen-Editierungswerkzeuge ausgezeichnet werden würde. Die Technologie ermöglicht präzise Änderungen am Genom und hat seit ihrer Einführung in den 2010er Jahren Labors auf der ganzen Welt erobert. Sie hat zahllose Anwendungsmöglichkeiten: Forscher hoffen, damit menschliche Gene zu verändern, um Krankheiten zu beseitigen, widerstandsfähigere Pflanzen zu schaffen, Krankheitserreger auszurotten und vieles mehr.
„Die Fähigkeit, DNA dort zu schneiden, wo man will, hat die Biowissenschaften revolutioniert“, sagte Pernilla Wittung Stafshede, eine biophysikalische Chemikerin und Mitglied des Nobelkomitees für Chemie, bei der Preisverleihung. „Die ‚genetische Schere‘ wurde erst vor acht Jahren entdeckt, hat aber bereits einen großen Nutzen für die Menschheit gebracht.“
Doudna und Charpentier und ihre Kollegen leisteten entscheidende Vorarbeit bei der Charakterisierung des Systems, aber auch mehrere andere Forscher wurden als Hauptakteure bei der Entwicklung von CRISPR genannt und mit anderen hochrangigen Preisen ausgezeichnet. Dazu gehören Feng Zhang vom Broad Institute des MIT und Harvard in Cambridge, Massachusetts, George Church von der Harvard Medical School in Boston, Massachusetts, und der Biochemiker Virginijus Siksnys von der Universität Vilnius in Litauen (siehe „Die vielen Pioniere von CRISPR“).
Doudna war „wirklich fest eingeschlafen“, als ihr Telefon klingelte und sie den Anruf eines Nature-Reporters entgegennahm, der ihr die Nachricht überbrachte. „Ich bin in einer kleinen Stadt auf Hawaii aufgewachsen und hätte mir das in 100 Millionen Jahren nicht vorstellen können“, sagt Doudna. „
„Ich kenne so viele wunderbare Wissenschaftler, die das nie erhalten werden, und zwar aus Gründen, die nichts mit der Tatsache zu tun haben, dass sie wunderbare Wissenschaftler sind“, sagt Doudna. Ich fühle mich wirklich sehr geehrt.“
Geboren aus Bakterien
CRISPR, kurz für clustered regularly interspaced short palindromic repeats, ist ein mikrobielles „Immunsystem“, das Prokaryoten – Bakterien und Archaeen – nutzen, um eine Infektion durch Viren, sogenannte Phagen, zu verhindern. Im Kern verleiht das CRISPR-System Prokaryoten die Fähigkeit, präzise genetische Sequenzen zu erkennen, die zu einem Phagen oder anderen Eindringlingen passen, und diese Sequenzen mit Hilfe spezieller Enzyme gezielt zu zerstören.
In früheren Arbeiten wurden diese Enzyme, die als CRISPR-assoziierte Proteine (Cas) bekannt sind, identifiziert, darunter auch eines mit der Bezeichnung Cas9. Doch Charpentier, der zunächst an der Universität Wien und später am Umeå Centre for Microbial Research in Schweden arbeitete, identifizierte eine weitere Schlüsselkomponente des CRISPR-Systems, ein RNA-Molekül, das an der Erkennung von Phagen-Sequenzen im Bakterium Streptococcus pyogenes beteiligt ist, das beim Menschen Krankheiten verursachen kann.
Charpentier meldete diese Entdeckung 2011 und begann im selben Jahr eine Zusammenarbeit mit Doudna. In einer bahnbrechenden Veröffentlichung in Science1 aus dem Jahr 2012 isolierte das Duo die Komponenten des CRISPR-Cas9-Systems, passte sie an die Funktionsweise im Reagenzglas an und zeigte, dass das System so programmiert werden kann, dass es bestimmte Stellen in isolierter DNA schneidet. Ihr programmierbares Gen-Editing-System hat einen Goldrausch unzähliger Anwendungen in der Medizin, der Landwirtschaft und der Grundlagenforschung ausgelöst – und die Arbeit geht weiter, um CRISPR zu optimieren und zu verbessern und andere Gen-Editing-Tools zu identifizieren.
„Wir hatten gehofft, dass wir dies wirklich in eine Technologie zum Umschreiben des genetischen Codes von Zellen und Organismen umsetzen könnten“, sagt Martin Jinek, ein Biochemiker an der Universität Zürich, der als Postdoc in Doudnas Labor tätig war und einer der Erstautoren des entscheidenden Science-Artikels ist. „Was wir nicht abschätzen konnten, war, wie schnell die Technologie von anderen auf dem Gebiet übernommen und weiterentwickelt werden würde.“
Die vielen Pioniere von CRISPR
Es gäbe kein CRISPR ohne Francisco Mojica. Der Mikrobiologe an der Universität von Alicante in Spanien hat dem System seinen Namen gegeben. Im Jahr 1993 entdeckte Mojica im Genom des Archaeons Haloferax eigentümliche repetitive DNA-Sequenzen. Später zeigte er, dass ähnliche Sequenzen in Prokaryonten weit verbreitet sind und mit dem genetischen Material von Phagen, Viren, die Bakterien infizieren, übereinstimmen.
Im Jahr 2005 stellte Mojica die Hypothese auf, dass diese Sequenzen Teil eines mikrobiellen Immunsystems sind. Zusammen mit Ruud Jansen von der Universität Utrecht in den Niederlanden entwickelte Mojica das jetzt mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Akronym: CRISPR, kurz für „clustered regularly interspaced short palindromic repeats“. Für seine Arbeit an CRISPR teilte sich Mojica 2017 den mit 500.000 US-Dollar dotierten Medizinpreis des Albany Medical Center mit Charpentier, Doudna, Feng Zhang und Luciano Marraffini von der Rockefeller University in New York City.
Doudna und Charpentier waren nicht die einzigen Wissenschaftler, die erkannten, dass das CRISPR-System so programmiert werden kann, dass es andere Teile der DNA schneidet. Im Jahr 2012 – etwa zu der Zeit, als das Duo seine Experimente veröffentlichte, die zeigten, dass das CRISPR-Cas9-System isolierte DNA schneiden kann – zeigte ein Team um den Biochemiker Virginijus Šikšnys von der Universität Vilnius in Litauen, wie das Cas9-Enzym angewiesen werden kann, vordefinierte DNA-Sequenzen zu schneiden. Šikšnys teilte sich 2018 den Kavli-Preis in Nanowissenschaften mit Doudna und Charpentier.
Die Entscheidung des Nobelkomitees, Zhang nicht aufzunehmen, war eine der größten Überraschungen. Der Genetiker gilt zusammen mit Charpentier und Doudna als das Trio, das am ehesten einen Nobelpreis für CRISPR erhalten würde. Zhangs Team modifizierte Anfang 2013 in einem Science-Artikel das CRISPR-Cas9-System, um präzise Genomschnitte in menschlichen und Mäusezellen vorzunehmen. Churchs Team beschrieb etwa zur gleichen Zeit Arbeiten zum Schneiden menschlicher DNA-Zellen.
Jin-Soo Kim, ein Genomingenieur am Institute for Basic Science in Daejeon, Südkorea, und einer der ersten, der CRISPR für die Genom-Editierung in einer Vielzahl verschiedener Zellen anpasste, sagt, dass er sich zwar über die Ankündigung des Nobelpreises freue, aber überrascht sei, dass die Biochemikerin Dana Carroll von der University of Utah in Salt Lake City übersehen wurde. Carroll entwickelte Möglichkeiten, andere Enzyme, so genannte Zink-Finger-Nukleasen, zur Bearbeitung von Genomen einzusetzen, lange vor den Tagen von CRISPR.
Obwohl CRISPR einfacher zu handhaben ist als Zink-Finger-Nukleasen, betrachtet Kim Carroll als den Begründer des Genome-Editing-Bereichs. „Es besteht kein Zweifel, dass Doudna und Charpentier die Anerkennung verdienen“, sagt er. „Aber ohne die Demonstration der Genom-Editierung durch Zink-Finger-Nukleasen hätten sich nicht viele Menschen die Verwendung von CRISPR-Cas9 für die Genom-Editierung vorstellen können.“
Rennen um die Kommerzialisierung
In weniger als einem Jahrzehnt haben Forscher CRISPR-Cas9 eingesetzt, um genom-editierte Nutzpflanzen, Insekten, genetische Modelle und experimentelle menschliche Therapien zu entwickeln. Derzeit laufen klinische Versuche, um die Technik zur Behandlung von Sichelzellenanämie, erblicher Blindheit und Krebs einzusetzen. Doudna, Charpentier und andere auf diesem Gebiet haben eine ganze Generation von Biotechnologieunternehmen gegründet, die die Technik weiterentwickeln, um diese Ziele zu erreichen.
Die Technologie hat aber auch Kontroversen ausgelöst – insbesondere wegen ihrer bevorstehenden Anwendungen in menschlichen Zellen. Im November 2018 gab der chinesische Biophysiker He Jiankui bekannt, dass Zwillingsmädchen aus Embryonen geboren wurden, die er und seine Kollegen mit CRISPR-Cas9 bearbeitet hatten. Die Nachricht löste einen Aufschrei aus: das Editieren von Embryonen wirft eine Reihe von ethischen, sozialen und sicherheitstechnischen Bedenken auf, und viele Forscher weltweit verurteilten He’s Arbeit schnell.
Im September kam ein internationales Gremium, das von führenden wissenschaftlichen Gesellschaften der USA und des Vereinigten Königreichs einberufen wurde, erneut zu dem Schluss, dass die Technologie nicht für den Einsatz bei menschlichen Embryonen, die zur Einpflanzung bestimmt sind, geeignet ist.
Die Arbeit löste auch einen heftigen Patentstreit aus – vor allem zwischen dem Broad Institute und der University of California, Berkeley -, der bis heute andauert und bei dem es darum geht, wer die lukrativen geistigen Eigentumsrechte an der CRISPR-Cas9-Genom-Editierung besitzt.
Doch Church ist mit der Aufteilung des Preises einverstanden. Obwohl er stolz auf die Arbeit in seinem und Zhangs Labor ist – die das System so angepasst haben, dass es in Säugetierzellen funktioniert, was die Tür zur Modellierung und potenziellen Behandlung menschlicher Krankheiten öffnet – sagt Church, dass diese Arbeit eher als Technik und Erfindung denn als wissenschaftliche Entdeckung eingestuft werden könnte. „
Es ist immer schwierig, eine Entdeckung für einen Preis auszuwählen, sagt Francis Collins, ein Genetiker und Leiter der US National Institutes of Health in Bethesda, Maryland. „Praktisch nichts kommt aus dem Nichts“, sagt er. „
Ein einzigartiger Aspekt der CRISPR-Cas9-Genom-Editierung sei jedoch die Einfachheit und Vielseitigkeit der Technik gewesen, fügt er hinzu. „CRISPR-Cas hat die Akzeptanz dieser Technik deutlich erhöht“, sagt Collins. „Es gibt kein mir bekanntes molekularbiologisches Labor, das nicht mit CRISPR-Cas arbeitet“.