Gene Drive

Was sind Gene Drives?
Gene Drives (GD) sind eine spezifische Anwendung der neuen gentechnischen Verfahren. Sie sind eine Art gentechnische Kettenreaktion, die es möglich macht, künstlich veränderte Gene rasch in einer ganzen Population zu verbreiten. Viel schneller, als dies mit natürlicher Vererbung möglich wäre. Dazu genügt theoretisch ein einzelner manipulierter Organismus, der ein genetisches Element – auch als egoistisches Gen bezeichnet – überträgt, welches sich bei jeder Fortpflanzung selbst kopiert und so die konkurrierenden Genvarianten aus dem Erbgut verdrängt.

Vielfältige Anwendungsbereiche

Anwendungen Landwirtschaft zugeschnitten

 

Gene Drives in der Landwirtschaft

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Krankheitsbekämpfung bearbeitet

 

Gene Drives zur Krankheits-
bekämpfung

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Anwendungen Naturschutz bearbeitet

 

Gene Drives zu Naturschutzzwecken


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Militarische Anwendungen bearbeitet

Gene Drives als Biowaffe - Potentielle militärische Anwendungen

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Die Freisetzung einiger weniger Pflanzen oder Tiere mit künstlich erzeugtem Gene Drive reicht aus, um eine Kettenreaktion auszulösen, an deren Ende alle Mitglieder einer Population die Eigenschaft aus diesem Gene Drive im Erbgut tragen. Mit der potenten Technik erhoffen Forschende zu steuern, was schlussendlich mit der veränderten Population passiert. So können Gene Drives derart konstruiert werden, dass sie eine Population auslöschen. Das Gegenteil – dass die Population gerade dank einer mit einem Gene Drive eingeführten neuen Eigenschaft überlebt – ist jedoch auch denkbar.
Die aktuellen Diskussionen werden zwar von lediglich zwei potenziellen Anwendungsgebieten dominiert: dem Eindämmen krankheitsübertragender Insekten und dem Schutz bedrohter einheimischer Ökosysteme vor aggressiven invasiven Arten. Bei Letzterem werden Gene Drives sogar als nachhaltigeres und sichereres Vorgehen angepriesen, da es die schädlichen Pestizide und Giftköder ersetzen könnte. Die geplanten Anwendungsbereiche der Gene Drive Technik sind aber deutlich vielfältiger und reichen von der oben erwähnten Krankheitsbekämpfung über die Schädlingsbekämpfung in der Landwirtschaft bis hin zum Naturschutz. Besorgniserregend ist, dass sie sich auch für die Entwicklung von Biowaffen eignen. Dies wird jedoch gerne verschwiegen.
Bislang wurden Gene Drives erst im Labor getestet, Versuche in der Natur stehen noch aus.

Wo liegen die Gefahren?
Im Gegensatz zu anderen gentechnischen Manipulationen, bei denen die Ausbreitung der künstlich beigefügten Eigenschaften möglichst vermieden wird und unerwünscht ist, wurden Gene Drives so konzipiert, dass sie invasiv und unwiderruflich sind. Ist der Organismus mit dem eingebauten Gene Drive einmal freigesetzt, ist es beinahe unmöglich dessen Einflüsse auf das Ökosystem zu kontrollieren oder rückgängig zu machen. Sie können auf Wildarten übertragen werden und stellen eine erhebliche Gefahr für die Biodiversität dar. Die kaum steuerbare absichtliche oder unbeabsichtigte Freisetzung von Organismen mit einem Gene Drive kann immense negative Auswirkungen auf die Gesundheit von Mensch und Umwelt haben. Würde die Technologie als Biowaffe missbraucht, könnte sie massive geopolitische Bedrohungen darstellen. Aus diesen Gründen sind Gene Drives die bislang gefährlichste Anwendung der synthetischen Biologie in der Umwelt. Die potenziell weitreichenden Auswirkungen erfordern Forschungsrichtlinien, die eine ethische und verantwortungsvolle Nutzung der Methode fördern. Solange keine strenge Regulierung vorhanden ist, fordern nationale und internationale Organisationen sogar ein weltweites Moratorium für die Freisetzung von Gene Drives.

Schlüsselelement – CRISPR/Cas
Die Idee schädliche Organismen mit einem ins Erbgut eingebauten, selbsttreibenden Mechanismus zu dezimieren ist nicht neu. Bereits in den 60er Jahren haben Forscher mit diesem Gedanken gespielt. Im Jahr 2003 kam der britische Forscher Austin Burt erstmals auf die Idee, neue genetische Eigenschaften an sogenannte egoistische Elemente zu koppeln, die die Regeln der klassischen Vererbung umgehen. Die neu entwickelten gentechnischen Verfahren ermöglichen heute die Umsetzung dieser Theorie.
Die Technik basiert auf der Fähigkeit der Genschere „CRISPR/Cas9“, eine spezifische Sequenz im Erbgut zu erkennen und die DNA an dieser Stelle gezielt zu zerschneiden. An der Schnittstelle können Änderungen an der DNA vorgenommen werden. Zum Beispiel werden Basenpaare ausgetauscht oder kurze DNA-Sequenzen eingefügt, damit neue Eigenschaften entstehen.
Um einen Gene Drive zu erstellen, müssen zwei Elemente ins Erbgut eingebaut werden. Erstens ein gentechnisch veränderter DNA-Abschnitt, der für die zu verbreitende neue Eigenschaft kodiert. Zweitens, die Bauanleitung für das CRISPR/Cas-System. Wenn beide Elemente in der DNA präsent sind, kann das CRISPR/Cas-Konstrukt bei jeder Fortpflanzung die DNA nach den vorgegebenen Stellen absuchen, um dort die gentechnische Manipulation zu wiederholen. Als Resultat werden die veränderten Sequenzen erzwungenermassen zu 100% an alle Nachkommen weitervererbt. So können sich die neuen Eigenschaften rasch in der ganzen Population ausbreiten und innerhalb kurzer Zeit die Zukunft einer gesamten Art umgestalten. Dies geschieht selbst dann, wenn die eingefügte Veränderung für das Individuum unvorteilhaft ist. Damit werden die Regeln der natürlichen Vererbung ausgeschaltet.

Detail stammbaum GD2 500

GD Stammbaum 1000 hoch2 Geschnitten

 

 

 

 

Legende: Gene Drives werden an alle Nachkommen weitervererbt. Üblicherweise würde bei den Nachkommen dieser Fruchtfliegen die gentechnische Veränderung (in Grün) nur auf dem, von der Mutter weitergegebenen Chromosom sitzen. Der eingebaute Kopiermechanismus (der zusammen mit der gentechnischen Veränderung weitervererbt wird), sorgt aber dafür, dass diese Genvariante auch in das vom Vater stammende Chromosom einkopiert wird. Am Ende des Prozesses sind alle Nachkommen des Fruchtfliegenpaares homozygot (reinerbig) auf das künstlich beigefügte Genvariante: das heisst, sie tragen auf beiden Chromosomen die gleiche Kopie des Gens. Weil sich dieser Prozess bei jeder Paarung wiederholt, tragen nach wenigen Generationen alle Nachkommen im Stammbaum die gentechnische Veränderung (alle Nachkommen grün).

Voraussetzungen der Anwendung
Gene Drives können nur in Organismen erfolgreich angewendet werden, die zwei wichtigen Voraussetzungen entsprechen. Einerseits müssen Zielorganismen sich geschlechtlich vermehren, sodass sie das Gene-Drive-System an nicht modifizierte Artgenossen weitergeben können. Andererseits müssen sie kurze Generationszeiten aufweisen, damit sich die künstlich beigefügte Eigenschaft schnell in der ganzen Population verbreiten kann. Deswegen sind Insekten und Nagetiere ideale Kandidaten für die Einführung eines Gene-Drive-Konstrukts. Auch eine Anwendung bei Pflanzen mit kurzen Lebenszyklen wäre denkbar, allerdings erweist sich dies als schwierig, weil das pflanzliche Genom Reparaturmechanismen verwendet, die das Weitergeben des Gene-Drive-Konstrukts erschweren.

Ausserdem gibt es Faktoren, die die Anwendbarkeit des Gene-Drive-Konstrukts zusätzlich erschweren. Zielorganismen können nämlich eine Resistenz gegen den Mechanismus entwickeln. Das liegt daran, dass auf den von der Cas9 Endonuklease (das Schneideenzym) erzeugten Doppelstrangbruch meistens eine fehlerhafte Reparatur erfolgt (die sogenannte nichthomologe End-zu-End-Verknüpfung). Diese führt dazu, dass Mutationen innerhalb der Erkennungssequenz der Endonuklease auftreten, wodurch diese die Stelle nicht mehr erkennt und das Schneiden verunmöglicht wird. Dadurch wird verhindert, dass das Gene-Drive-System die genetische Information einkopiert: die gewünschte überproportionale Vererbung bleibt aus. Dass solche Resistenzen keine Seltenheit sind, zeigen Studien zu natürlichen Gene-Drive-Systemen bei Insekten: hier wurde dieses Phänomen mit Häufigkeiten bis zu 50% beobachtet.

Gene-Drive-Arten
In der Anwendung von Gene-Drives kann zwischen verschiedenen Formen unterschieden werden.

Gene Drives mit einer globalen Wirkung können dazu genutzt werden, eine Population gezielt zu verändern (sog. alteration/modification/conversion drives) und sie sogar zu vernichten (sog. suppression drives). Diese Gene-Drive-Formen sind so konzipiert, dass sie sich, ähnlich einer unaufhaltbaren Kettenreaktion, immer weiter in der Population ausbreiten, bis schlussendlich alle Individuen die erzielte Veränderung tragen, bzw. bis die Population zusammenbricht. Auf diese Weise kann zum Beispiel ein Gen, das eine Resistenz gegen eine bestimmte Krankheit verleiht oder die Vermehrungsfähigkeit der Art einschränkt, innerhalb von wenigen Generationen in der ganzen Population verbreitet werden – bis kein unverändertes Individuum mehr übrig ist.

Da die Unaufhaltbarkeit und Unkontrollierbarkeit der global wirkenden Gene Drives schwerwiegende Folgen haben können, wird mit verschiedenen Techniken versucht deren Wirkung auszubremsen und einzuschränken:

Reversal Drives zielen darauf ab, die Auswirkungen eines Gene Drives rückgängig zu machen, indem nach dem ursprünglichen Gene Drive ein zweiter eingeführt wird. Es ist jedoch fraglich, ob dieser Mechanismus zuverlässig funktionieren kann.

Bei den sogenannten Split Drives wird ein Teil des einzufügenden Gens in die DNA des Zielorganismus, die andere in die DNA eines Virus, das diesen als Wirt benutzt, eingebaut. Auf diese Weise kann der Zielorganismus den vollständigen Bauplan für den neuen Gene Drive ohne das Virus nicht weitergeben. Diese Methode soll die Sicherheit im Labor erhöhen. Eine Anwendung in der Natur ist aber kaum realisierbar.

Die Frage, wie man Gene Drives auf eine bestimmte Region begrenzen könnte, ist zurzeit nicht geklärt. Daisy Drives wurden entwickelt um sicherzustellen, dass der Gene Drive nur lokal, innerhalb einer gewünschten Population wirkt und sich nicht unkontrolliert auf alle Populationen verbreitet. Solche Daisy Drives sollen die Wirkung des Gene-Drive-Mechanismus zeitlich beschränken, indem sie nach einer bestimmten Anzahl Generationen aufhören zu funktionieren. Dies wird erreicht, indem das eingebaute Element die eigene Verbreitung nicht direkt vorantreibt, sondern für die Verbreitung eines andern Elementes sorgt, das ebenfalls eingefügt wurde. Da das erste Element dieser seriellen Kettenreaktion selbst nicht dem Gene-Drive-Mechanismus unterliegt, wird es nicht zwangsmässig an alle Nachkommen weitervererbt. Somit klingt der Mechanismus nach einer gewissen Zeit und Anzahl Generationen ab. Der Haken: es ist nicht auszuschliessen, dass ein Daisy Drive zufällig mutiert und so in einen Gene Drive mit globaler Wirkung verwandelt.


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