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.
Das Helmholtz-Institut für RNA-basierte Infektionsforschung (HIRI) in Würzburg, Akribion Therapeutics in Zwingenberg sowie die University of Utah und die Utah State University in den USA haben nun gemeinsam ein CRISPR-basiertes Werkzeug entwickelt. Dieses kann anhand eines erfassten Transkripts bestimmte Zellen gezielt abtöten, wodurch sich zahlreiche Einsatzmöglichkeiten eröffnen. Die Ergebnisse sind im Fachmagazin Nature erschienen.
Vielversprechende Möglichkeiten durch CRISPR-Technologien
Die Identität und das Verhalten einer Zelle werden unter anderem dadurch bestimmt, welche ihrer Gene gerade genutzt werden und wie aktiv diese 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. Das sind zum Beispiel solche, die mit einer Erkrankung in Verbindung stehen oder bei denen eine Genbearbeitung nicht erfolgreich war. Zwar ermöglicht das Aufspüren dieser Zellen gezielte Eingriffe, doch ihre Beseitigung ist häufig stark kontextabhängig und erfordert passgenaue Strategien. Daher sind in der Grundlagenforschung, der Medizin, der Biotechnologie und der Landwirtschaft zuverlässige und vielseitig einsetzbare Methoden zum Nachweis und zur selektiven Abtötung solcher Zellen sehr gefragt.
Geht es um Bakterien, bieten sogenannte CRISPR-Technologien bereits vielversprechende Möglichkeiten, spezifische Mikroben zu erkennen und zu eliminieren. Sie basieren auf CRISPR-Cas, einem bakteriellen Immunsystem, bei dem eine Ribonukleinsäure (RNA) die Zielsequenz vorgibt und ein Cas-Protein (von engl. CRISPR-associated) als Nuklease wirkt – also ein Enzym, das DNA schneidet. Wählt man die Leit-RNA so, dass sie nur zur DNA eines bestimmten Bakteriums passt, wird genau dessen Erbgut erkannt. Der Schnitt in das genetische Material führt zu schweren Schäden und das betroffene Bakterium stirbt ab.
Eine Strategie, um bestimmte Zellen gezielt zu beseitigen
Der Einsatz derselben Nukleasen in Eukaryoten – Lebewesen, deren Zellen einen Zellkern mit DNA besitzen – hat sich jedoch als wesentlich schwieriger erwiesen. Forschende am HIRI, einem Standort des Braunschweiger Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung (HZI) in Kooperation mit der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU), haben es sich gemeinsam mit dem Unternehmen Akribion Therapeutics in Zwingenberg sowie der University of Utah und der Utah State University in den USA zur Aufgabe gemacht, diese Nukleasen in Eukaryoten einzusetzen. Darauf basierend entwickelten sie eine eigene CRISPR-Strategie, mit der sich bestimmte Zellen gezielt beseitigen lassen.
Frühere Arbeiten mit Beteiligung des HIRI haben gezeigt, dass die CRISPR-Nuklease namens Cas12a2 RNA-Zielsequenzen erkennt, was eine unspezifische Spaltung sämtlicher Nukleinsäuren auslöst – insbesondere RNA, einzelsträngige 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. Er ist einer der korrespondierenden Autorinnen und Autoren der neuen Studie.
„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“, sagt Ryan Jackson, Professor an der Utah State University und korrespondierender Mitautor der Studie. „Sein Ziel ist es nicht, irgendetwas zu korrigieren. Stattdessen zerstört es alles, was es sieht“, fügt Yang Liu hinzu und beschreibt die Nuklease Cas12a2 näher. Liu ist Assistenzprofessor an der University of Utah und ebenfalls korrespondierender Autor der Studie.
Es war jedoch unbekannt, was passieren würde, wenn Cas12a2 in eukaryotischen Zellen ausgelöst wird – bis jetzt. Das Team aus Wissenschaft und Industrie konnte feststellen, dass Cas12a2 in Hefe- und menschlichen Zellen jene mit dem Zieltranskript stilllegte, jedoch diejenigen verschonte, denen die Zielsequenz fehlte. „Die Zellabtötung erfolgte sequenzspezifisch, zeigte eine hohe Sensitivität gegenüber Fehlpaarungen und trat ohne messbare unbeabsichtigte Effekte auf“, sagt Beisel.
Ein weites Anwendungsfeld
„Unsere Technologie bietet uns ein leistungsstarkes Werkzeug zur sequenzspezifischen Abtötung krankheitserregender Zellen“, sagt Paul Scholz von Akribion Therapeutics, Erst- und korrespondierender Autor der Publikation. „In dieser Studie demonstrieren wir das Potenzial unserer Technologie, indem wir virusinfizierte Zellen sowie durch eine punktuelle Mutation veränderte Krebszellen ins Visier nehmen. Unsere Technologie lässt sich jedoch so programmieren, dass sie nahezu jede gewünschte RNA-Signatur adressieren kann.“ Eine weitere mögliche Anwendung ist es, nicht modifizierte Zellen selektiv auszusortieren, um erfolgreich veränderte Zellen anzureichern und so die Qualität von Genbearbeitungen zu verbessern – was das Team in dieser Studie ebenfalls umsetzen konnte.
Die Wirkung von aktiviertem Cas12a2 war angesichts seiner In-vitro-Aktivität, also unter Laborbedingungen und außerhalb von Organismen, zu erwarten. Es gab jedoch keine Garantie dafür, was passieren würde, wenn es in einer menschlichen Zelle freigesetzt würde. Anfangs hatte das Team Bedenken, dass Cas12a2 möglicherweise neben den Zielzellen auch weitere Zellen eliminieren könnte, wenn es unbeabsichtigt durch anderweitig vorhandene RNA ausgelöst wird. Das hat sich jedoch nicht bestätigt.
Von der Onkologie über chronische Infektionen bis hin zur Genbearbeitung: Die Möglichkeit, Zellen anhand ihres Transkriptoms – der Gesamtheit aller RNA-Transkripte, die zu einem bestimmten Zeitpunkt vorhanden sind – gezielt zu eliminieren, eröffnet neue Perspektiven. „Da Cas12a2 mit einer Leit-RNA so programmiert werden kann, dass es auf jede beliebige RNA-Sequenz abzielt, und da es kaum oder gar keine sogenannten Off-Target-Effekte zeigt, glauben wir, einen Weg gefunden zu haben, um Zellen in allen Bereichen der Biologie selektiv auszuschalten“, sagt Jackson. „Wir zeigen, dass es zur Verbesserung von Genom-Editierungen, zur selektiven Abtötung von Zellen, die Virusgene beherbergen, sowie zur Beseitigung von Zellen mit erworbenen Mutationen eingesetzt werden kann. Wir gehen davon aus, dass diese Technologie Wissenschaft, Landwirtschaft und Medizin auf bisher ungeahnte Weise verändern wird.“
Beisel fügt hinzu: „Wir hoffen, dass die Forschungsgemeinschaft diese neuen Möglichkeiten genauer untersuchen wird und herausfindet, wie sie über unsere Studie hinaus weiter verbessert und angewendet werden können.“ Das Forschungsteam selbst plant, Cas12a2 für klinische Anwendungen weiterzuentwickeln. Gleichzeitig wird es nach Wegen suchen, die Technologie zu verbessern und auszuweiten.
Förderung
Die Studie wurde durch Fördermittel des Europäischen Forschungsrats, der Familie R. Gaurth Hansen und der US-amerikanischen National Institutes of Health unterstützt.
Originalpublikation
Scholz P, Thompson J, Crosby KT, Fauth T, Krah NM, Schlauderaff G, Back R, Berkheimer ZA, Jolley A, Sombroek D, Medert R, Zurek C, Dmytrenko O, Wilson E, Schut FT, Rutter J, Zhang X, Krohn M, Jackson RN, Beisel CL, Liu Y: RNA-triggered cell killing with CRISPR-Cas12a2. Nature (2026), https://doi.org/10.1038/s41586-026-10466-y
Helmholtz-Institut für RNA-basierte Infektionsforschung
Das HIRI ist die weltweit erste Einrichtung ihrer Art, die die Forschung an Ribonukleinsäuren mit der Infektionsbiologie vereint. Auf Basis neuer Erkenntnisse aus seinem starken Grundlagenforschungsprogramm will das Institut innovative therapeutische Ansätze entwickeln, um menschliche Infektionen besser diagnostizieren und behandeln zu können. Das HIRI ist ein Standort des Braunschweiger Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung in Kooperation mit der JMU und befindet sich auf dem Würzburger Medizin-Campus.
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