Ein internationales Forschungsteam hat ein molekulares Werkzeug entwickelt, das unerwünschte Zellen mit chirurgischer Präzision ausschaltet – und dabei gesunde Zellen unberührt lässt. Die heute im Fachmagazin Nature veröffentlichte Studie zeigt, wie die CRISPR-Nuklease Cas12a2 erstmals erfolgreich in menschlichen Zellen und Hefezellen eingesetzt wurde, um gezielt jene Zellen abzutöten, die eine bestimmte RNA-Signatur tragen. Beteiligt waren das Helmholtz-Institut für RNA-basierte Infektionsforschung (HIRI) in Würzburg, das Biotech-Unternehmen Akribion Therapeutics aus dem hessischen Zwingenberg sowie die University of Utah und die Utah State University.
Der Grundgedanke klingt bestechend einfach: Jede Zelle verrät durch ihr Aktivitätsmuster – also dadurch, welche Gene gerade abgelesen werden – ihre Identität. Anhand dieser molekularen Fingerabdrücke lassen sich etwa krankhaft veränderte Zellen, virusinfizierte Zellen oder solche, bei denen eine Genbearbeitung fehlgeschlagen ist, von ihren gesunden Nachbarn unterscheiden. Was bislang fehlte, war ein zuverlässiges Instrument, das diese Erkennung mit einer sofortigen Beseitigung der identifizierten Zellen verbindet. Genau diese Lücke schließt das nun vorgestellte System.
Die Nuklease Cas12a2 unterscheidet sich grundlegend von dem bekannteren Cas9, das in der Gentherapie als präzise Schere für einzelne DNA-Stellen dient. Cas12a2 verfolgt eine radikal andere Strategie: Sobald es durch eine passende RNA-Sequenz aktiviert wird, zerschneidet es sämtliche Nukleinsäuren in der Zelle – RNA, einzelsträngige und doppelsträngige DNA gleichermaßen. „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“, erläutert Ryan Jackson, Professor an der Utah State University und einer der korrespondierenden Autoren. Yang Liu, Assistenzprofessor an der University of Utah und ebenfalls korrespondierender Autor, bringt es auf den Punkt: „Sein Ziel ist es nicht, irgendetwas zu korrigieren. Stattdessen zerstört es alles, was es sieht.“
Dass dieses Prinzip in Bakterien funktioniert, war bereits seit einer 2023 ebenfalls in Nature publizierten Vorstudie bekannt. Die entscheidende Frage lautete jedoch, ob sich der Mechanismus auch auf eukaryotische Zellen übertragen lässt – also auf Zellen mit einem echten Zellkern, wie sie bei Menschen, Tieren und Pflanzen vorkommen. Genau hier lag die Herausforderung, denn die komplexere Zellarchitektur von Eukaryoten macht den Einsatz solcher Nukleasen erheblich schwieriger. Das Team hatte anfangs sogar die Befürchtung, Cas12a2 könnte unkontrolliert auch Nachbarzellen schädigen, wenn es durch zufällig vorhandene RNA unbeabsichtigt ausgelöst würde.
Diese Sorge erwies sich als unbegründet. In den Experimenten mit Hefe- und menschlichen Zellen legte Cas12a2 ausschließlich jene Zellen still, die das gesuchte Zieltranskript trugen. Zellen ohne die entsprechende Sequenz blieben verschont. „Die Zellabtötung erfolgte sequenzspezifisch, zeigte eine hohe Sensitivität gegenüber Fehlpaarungen und trat ohne messbare unbeabsichtigte Effekte auf“, fasst Chase Beisel zusammen, affiliierter Abteilungsleiter am HIRI und Fakultätsmitglied am Botnar Institute of Immune Engineering in Basel.
Das Anwendungsspektrum, das sich daraus ergibt, ist bemerkenswert breit. Paul Scholz von Akribion Therapeutics, Erst- und korrespondierender Autor der Publikation, beschreibt die konkreten Demonstrationen der Studie: „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.“ Darüber hinaus gelang es dem Team, nicht erfolgreich editierte Zellen gezielt auszusortieren und so die Qualität von Genbearbeitungen deutlich zu steigern.
Von der Onkologie über chronische Virusinfektionen bis hin zur Landwirtschaft – die Möglichkeit, Zellen anhand ihres Transkriptoms zu identifizieren und selektiv zu eliminieren, öffnet Türen in zahlreiche Disziplinen. „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. Er geht davon aus, dass die Technologie Wissenschaft, Landwirtschaft und Medizin nachhaltig verändern wird.
Beisel richtet den Blick bereits nach vorn: „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 arbeitet bereits daran, Cas12a2 für klinische Anwendungen weiterzuentwickeln und die Technologie auf zusätzliche Einsatzfelder auszuweiten. Gefördert wurde die Arbeit unter anderem durch den Europäischen Forschungsrat, die Familie R. Gaurth Hansen sowie die US-amerikanischen National Institutes of Health.
