Genreparatur in Mitochondrien

Gegen Mutationen: Forscher haben ein Genwerkzeug entwickelt, das eine falsch eingefügte DNA-Base auch im Mitochondrien-Genom austauschen kann. Das molekulare Werkzeug wandelt die Nukleobase Adenin in Guanin um und kann damit immerhin 39 der 90 krankmachenden Mutationen im Genom der Zellkraftwerke korrigieren. Das eröffnet neue Chancen für die Erforschung und Therapie von Mitochondrien-Erkrankungen.

Die Mitochondrien sind die „Kraftwerke und Energiespeicher unserer Zellen und damit überlebenswichtig. Ist ihre Funktion durch Defekte in der mitochondrialen DNA gestört, kann dies schwere Krankheiten zur Folge haben, darunter Taubheit, Blindheit, Herzschwäche und neurologische Störungen. Einige mitochondriale Krankheiten enden sogar tödlich. Weltweit ist etwa eine Person pro 5.000 Menschen von einer krankmachenden Mutation im Mitochondrien-Genom betroffen – eine Heilung gibt es meist nicht.

Schwer zugängliche Gendefekte

Der Grund: Während es für Gendefekte im Zellkern schon erste Ansätze für Gentherapien gibt, vor allem durch die Genschere CRISPR/Cas9, ist dies bei mitochondrialen Gendefekten anders. Denn die meisten gängigen Genwerkzeuge können nicht in die Mitochondrien eindringen und daher die DNA dieser Zellorganellen nicht erreichen. Der komplette Austausch defekter Mitochondrien bei menschlichen Eizellen wurde zwar schon versucht, ist aber ethisch hoch umstritten.

Erst im Jahr 2020 haben US-Forscher erstmals ein molekulares Werkzeug entwickelt, das in der mitochondrialen DNA die Base Cytosin (C) in Thymin (T) umwandeln kann. Weil diese Technik aber nur bei einem Teil der fehlplatzierten Cytosin-Basen greift, ist der medizinische Effekt begrenzt: Sie kann nur neun von rund 90 krankmachenden Mitochondrien-Mutationen reparieren.

Basenersatz durch molekulare Dreier-Kombination

„Wir haben daher nach Möglichkeiten gesucht, diese Begrenzung zu überwinden“, erklärt Erstautor Sung-Ik Cho vom Institut für Grundlagenforschung im südkoreanischen Daejeon. Dafür entwickelten Cho und sein Team ein „TALED“ getauftes Editierungswerkzeug, das nun auch die fehlplatzierte DNA-Base Adenin im Mitochondrien-Genom ansteuern und in die Nukleobase Guanin umwandeln kann.

Möglich wird dies durch die Kombination von drei molekularen Komponenten. Die erste ist eine Variante des schon für die C-T-Umwandlung eingesetzten Enzyms Cytosin-Deaminase. Diese wird mit einem sogenannten Transcription Activator-like Effector (TALE) kombiniert, der gezielt den gewünschten Abschnitt der mitochondrialen DNA erkennen und ansteuern kann. Als dritte Komponente kommt TadA8e hinzu, eine Adenin-Deaminase, die die Umwandlung von Adenin in Guanin begünstigt.

Anders als die Genschere CRISPR/Cas9 schneidet dieses dreiteilige Genwerkzeug den DNA-Strang nicht durch, sondern wandelt das Adenin durch eine chemische Reaktion direkt in Guanin um. Das verringert das Risiko eines Strangbruchs und anderer DNA-Schäden.

39 von 90 krankmachenden Mutationen reparierbar

Durch Tests mit menschlichen Zelllinien gelang es dem Team, dieses molekulare Kombi-Werkzeug so weit zu optimieren, dass es gezielt fehlerhafte Adenin-Basen in den Mitchondrien menschlicher Zellkulturen umwandeln konnte. Bei diesen Geneditierungen wurden bis zu 49 Prozent der fehlerhaften Adenin-Basen durch die korrekte Guanin-Base ersetzt, wie Cho und seine Kollegen berichten. In den Tests erwies sich das Editierungswerkzeug zudem als nicht zellschädlich und auch eine Destabilisierung der mitochondrialen DNA trat nicht auf.

„Unsere neue Plattform TALED erweitert damit die Möglichkeiten der mitochondrialen Genom-Editierung dramatisch“, sagt Cho. Denn mit diesem Basenaustauch lassen sich nun weitere 39 der 90 krankmachenden Mutationen beheben. „Dies könnte einen großen Beitrag dazu leisten, neue Krankheitsmodelle zu erstellen, und auch dazu, eine Therapie zu entwickeln“, so der Forscher. Denn für viele Mitochondrien-Krankheiten gibt es bisher keine Tiermodelle, weil man die krankmachenden Mutationen bei Versuchstieren nicht einfügen konnte.

Weitere Optimierungen nötig

Nach Ansicht der Forschenden könnte das neue Genwerkzeug „eine neue Ära der mitochondrialen Gentherapie einläuten“. Bis es allerdings soweit ist, dass das neue Genwerkzeug bei Tieren oder sogar dem Menschen angewendet werden kann, ist noch einiges an Forschung und Optimierungen nötig, wie auch die Forscher einräumen. Denn die Effektivität und auch die Spezifizität des Basenaustauschs müsse noch deutlich erhöht werden.

So traten beim Test der Methode zwar keine unerwünschten Basenumwandlungen – sogenannte Off-Target-Effekte – an der Kern-DNA der Zellen auf. In der mitochondrialen DNA gab es aber einen um das zwei- bis vierfach erhöhten Anteil unerwünschter Umwandlungen, wie das Team berichtet. Da solche Veränderungen ihrerseits krank machen können, müssen sie bei Gentherapien nach Möglichkeit vermieden werden. (Cell, 2022; doi: 10.1016/j.cell.2022.03.039)

Quelle: Institute for Basic Science