Trotz klarer Erfolge profitiert aktuell nur ein kleiner Teil der Tumorpatienten von molekularem Profiling. Wie das CRISPR-Verfahren dies ändern könnte, lesen Sie hier.
Zwei Forschungsteams1,2 ist es mittels des CRISPR-Verfahrens gelungen, etwa 18.000 Gene – eines nach dem anderen – in hunderten von Krebszelllinien zu inaktivieren. Auf diese Weise identifizierten sie spezifische Gene, die bestimmte Krebsarten zum Überleben brauchen. Diese Gene oder die durch sie kodierten Proteine sind nun potentielle Angriffspunkte für gezielte Therapien.3
CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats) sind sich wiederholende Abschnitte im Erbgut vieler Prokaryoten. Diese dienen einem Mechanismus, der vor dem Eindringen fremder DNA (etwa schädlicher Viren) schützt - eine archaische Art von Immunsystem. Bei einer Infektion spalten sog. Cas‑Proteine das Erbgut der eingedrungenen Viren in kurze Fragmente auf, die dann in den CRISPR‑Abschnitt eingefügt werden. Bei erneutem Kontakt mit dem Virus werden diese CRISPR‑Abschnitte in RNA umgeschrieben. Diese "kontrolliert" die virale DNA. Stimmt diese mit dem gespeicherten Abschnitt überein, wird sie durch die Cas‑Proteine zerschnitten.4
Mittels dieses Systems lassen sich – nicht nur bei Bakterien, sondern bei prinzipiell allen Organismen – DNA-Stränge gezielt durchtrennen und im Zuge der anschließenden Reparatur einzelne DNA‑Bausteine ausschneiden, austauschen oder neu einfügen. Dies läuft genauso ab wie bei einer natürlichen Mutation – mit dem Unterschied, dass diese zufällig stattfindet, während mit dem CRISPR/Cas-System präzise, punktuelle Veränderungen der DNA (genome editing) möglich werden. Das Verfahren wird bereits in der Tier- und Pflanzenzucht eingesetzt. Im Vergleich zu anderen Genome Editing-Verfahren ist es einfacher, präziser, kostengünstiger und schneller (es können z. B. mehrere Genomveränderungen gleichzeitig vorgenommen werden).
In den aktuellen Ausgaben der Nature1,2 und des New England Journals of Medicine3 wird von dem großen Potential für die Onkologie berichtet.
Einige Herausforderungen haben bislang den breiten Einsatz molekularer Untersuchungen zur Auswahl effektiver Therapien verhindert: neben dem für viele Patienten in der Welt limitierten Zugang zu solchen Verfahren gelingt es bei den meisten Tumoren mittels Sequenzierung nicht, ein mutantes Onkogen ausfindig zu machen, welches sich als Ziel einer "targeted therapy" eignen würde und selbst für sehr gut validierte Onkogene fehlen uns Wirkstoffe.
Die beiden eingangs genannten Forschungsteams machten sich die Fortschritte im Genome Engineering zunutze und testeten mithilfe des CRISPR/Cas-Systems, wie sich die Deletion jedes einzelnen menschlichen Gens von 3242 oder 5171 Krebszelllinien auf deren Überlebensfähigkeit und Proliferation auswirkt. Hierdurch erkannten sie Gene, die für das Überleben bestimmter, aber nicht aller Krebszelllinien notwendig sind und identifizierten unter Berücksichtigung der (bekannten oder vermuteten) Funktion der Genprodukte und der Eignung als Therapie-Target ("druggability") Klassen von potentiellen therapeutischen Angriffspunkten, von denen die Mehrheit nicht im Fokus konventioneller Tumortherapien stand.
Ein auf diese Weise entdecktes vielversprechendes potentielles Target ist die WRN‑Helicase-Aktivität. Um deren Bedeutung für ein Therapiekonzept zu verstehen, müssen wir zuerst erklären, was "synthetische Letalität" bedeutet. Wenn das gemeinsame Auftreten zweier genetischer Veränderungen zum Zelltod führt, von denen sich jede für sich genommen nicht als Therapie-Target ausnutzen ließe, spricht man von synthetischer Letalität. DNA‑Reparaturprozesse stellen attraktive synthetisch letale Targets dar, da viele Neoplasien Störungen eines DNA‑Reparaturweges aufweisen, was zur Abhängigkeit von ganz bestimmten Reparaturproteinen führen kann.
Ein Beispiel hierfür ist der Erfolg der PARP‑1-Inhibitoren. PARP ist ein DNA‑Reparatur-Enzym, dessen Hemmung dazu führt, dass Einzelstrangbrüche nur noch mittels homologer Rekombination repariert werden können. Tumoren mit einem häufigen Defekt der homologen Rekombination könnten daher durch PARP-Inhibitoren zerstört werden.
Nach genau solchen "letalen Verkettungen" suchten die Forscher mittels CRISPR-Knockout und fanden die WRN‑Helicase. Für Tumoren mit einem zweiten Defekt wirkt sich deren Ausschaltung letal aus, nämlich bei einer gestörten Basenfehlpaarungsreparatur. Diese zieht eine Mikrosatelliten-Instabilität (MSI) nach sich. Selektiv bei diesen Zelllinien (also nicht bei Krebszellen, die mikrosatellitenstabil sind), kommt es durch Verlust der WRN‑Helicase zu Doppelstrangbrüchen, Apoptose und Zellzyklus-Arrest. WRN stellt somit eine synthetisch letale Schwachstelle und einen möglichen therapeutischen Ansatzpunkt für MSI‑Tumoren dar.
Das war nun heute etwas Grundlagenforschung, aber wir hoffen, dass es für Sie interessant war. Die Anwendung des CRISPR/Cas-Systems könnte die effektivere Priorisierung von Therapie-Targets und eine bessere Selektion von für den spezifischen Tumor passenden Wirkstoffen ermöglichen und somit Patienten vor der Exposition gegenüber Therapeutika bewahren, die mit geringer Wahrscheinlichkeit einen Nutzen erbringen.
Referenzen:
1. Chan, E. M. et al. WRN helicase is a synthetic lethal target in microsatellite unstable cancers. Nature 568, 551–556 (2019).
2. Behan, F. M. et al. Prioritization of cancer therapeutic targets using CRISPR-Cas9 screens. Nature 568, 511–516 (2019).
3. Hahn, W. C. A CRISPR Way to Identify Cancer Targets. New England Journal of Medicine 380, 2475–2477 (2019).
4. CRISPR/Cas-System. transGEN Available at: https://www.transgen.de/lexikon/1845.crispr-cas.html. (Accessed: 14th July 2019)