#CRISPRhistory aktuell: CRISPR und Cas bekommen einen Nobelpreis, aber wann?

#CRISPRhistory – Die Biografie der revolutionären Gen-Schere CRISPR/Cas9.

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Es ist wieder so weit. Wie jedes Jahr steht Anfang Oktober die Bekanntgabe der Nobelpreise an, die wichtigsten Wissenschaftspreise der Welt. Eine gute Gelegenheit zu vermitteln, wie bedeutend das Thema CRISPR/Cas eigentlich ist, und warum die jetzige Vergabepraxis der Nobelpreise nicht mehr in die Zeit passt.

Am 28. Juni 2012 veröffentlichte ein sechsköpfiges Forscherteam um die US-Biochemikerin Jennifer Doudna und die französische Mikrobiologin Emmanuelle Charpentier im Fachmagazin Science einen Artikel, in dem sie das vorstellten, was heute als revolutionäre Gen-Schere CRISPR/Cas9 bekannt ist:

„We identify a DNA interference mechanism involving a dual-RNA structure that directs a Cas9 endonuclease to introduce site-specific double-stranded breaks in target DNA.“
Wir identifizieren einen DNA-Störungsmechanismus mit einer dualen RNA-Struktur, der eine Cas9-Endonuklease steuert, um ortsspezifische doppelsträngige Brüche in der Ziel-DNA einzuführen.

Nur neuneinhalb Wochen später erschien am 4. September 2012 im Journal PNAS ein ähnlicher Beitrag eines vierköpfigen Teams unter der Leitung des litauischen Biochemikers Virginijus Šikšnys (ausgesprochen Schikschnis), das ebenfalls CRISPR/Cas9 als Werkzeug vorstellte: 

„Taken together, our data demonstrate that the Cas9–crRNA complex functions as an RNA-guided endonuclease that uses RNA for target site recognition and Cas9 for DNA cleavage.“
Zusammenfassend zeigen unsere Daten, dass der Cas9-crRNA-Komplex als RNA-geführte Endonuklease funktioniert, die RNA zur Erkennung der Zielstelle und Cas9 zur DNA-Spaltung verwendet.

Nochmal vier Monate weiter, am 3. Januar 2013, publizierte wiederum Science zwei Artikel, in denen die Gen-Schere von zwei Teams um den amerikanisch-chinesischen Biochemiker Feng Zhang und den amerikanischen Molekulargenetiker George Church erstmals erfolgreich in Zellen von Menschen und Mäusen eingesetzt wurde.

Damit begann der Aufstieg von CRISPR/Cas9.

Die ersten Seiten der vier wichtigen Fachartikel mit den Berichten über CRISPR/Cas9 als Genschere.
Die jeweils erste Seite der vier wichtigen Fachartikel mit den Berichten über CRISPR/Cas9 als Genschere: ganz links der Artikel des Teams um Virginijus Šikšnys (Gasiunas et al., 4. Sept 2012 in PNAS); dann der Artikel des Teams um Doudna/Charpentier (Jinek/Chylinski et al., 28. Juni 2012 in Science); dann der Artikel des Teams um Feng Zhang (Cong et al., 3. Januar 2013 in Science), und der Artikel des Teams um George Church (Mali et al., 3. Januar 2013 in Science).
Screenshots Anhäuser/PNAS/Science

Was sich viele WissenschaftlerInnen immer schon vorgestellt hatten, scheint endlich wahr zu werden: Mit einfachen Mitteln den Code des Lebens zu kontrollieren, zu korrigieren, anzupassen, und so Erbkrankheiten an der Wurzel zu bekämpfen, Pflanzen mit gezielten Einriffen ertragreicher und widerstandsfähiger zu machen und ein Werkzeug in Händen zu halten, das die Arbeit in den Laboren präziser, einfacher und aussagekräftiger macht. Eine Revolution hatte begonnen.

Dass die Entwicklung der Gen-Schere CRISPR/Cas9 – deren Geschichte ich hier auf #CRISPRhistory in einer mehrteiligen Serie nachzeichne – früher oder später mit einen Nobelpreis gewürdigt wird, erscheint fast unvermeidlich. Es ist nicht die Frage ob, sondern wann das passiert. Zu groß ist schon jetzt der Impact für die Forschung und die Aussicht auf kommende Entwicklungen.

Vielleicht ist es nächste Woche so weit mit dem Preis der Preise. Nur sechs Jahre nach der Vorstellung von CRISPR/Cas9.

Wie wichtig das Werkzeug inzwischen ist, zeigt der Blick in die weltweit größte und wichtigste Datenbank für biomedizinische Fachartikel PubMed. Gab es unter dem Namen der Gen-Schere „CRISPR/Cas9“ im Jahr 2013 nur 29 Artikel – die Schere war ja erst im Jahr zuvor "erfunden" worden – so schoss diese Zahl bis auf 1882 Beiträge für das gesamte Jahr 2017. Schon jetzt, Ende September 2018, hat die Zahl der Treffer die Marke von 2000 überschritten.

Ältere Gen-Scheren können da schon lange nicht mehr mithalten. Für das Schneidwerkzeug ZFN (für Zink-Finger-Nukleasen, Wikipedia) gab es 2014 zwar noch 145 Artikel, doch dann ging es bergab: 2017 erschienen nur 118 Beiträge, 2018 sind es bisher 95. Auch TALEN (für Transcription activator-like effector nuclease, Wikipedia) ist kaum erfolgreicher: 2013 gab es 110 Einträge, 2016 sogar 267, 2017 fiel die Zahl aber auf 226, und 2018 sind es bisher nur 156. Nobelpreise haben die Entdecker dieser Gen-Scheren bisher keine bekommen (siehe die folgende Grafik).

Im Vergleich zu den älteren Gen-Scheren ZFN und TALEN ist die Zahl der Fachartikel über die Gen-Schere CRISPR/Cas9 geradezu explodiert. (Daten: ZFN, TALEN, CRISPR/Cas9)

Anders ist das bei einem anderen Tool aus dem Werkzeugkasten der Geningenieure, dem Genregulationswerkzeug RNAi (RNA-Interferenz, Wikipedia). Dieser Name steht wie "CRISPR" sowohl für das Werkzeug, mit dem Forscher gezielt Gene abschalten, als auch für den da hinter stehenden biologischen Mechanismus von Zellen, von dem das Werkzeug abgeleitet ist. 2006 wurden die US-Amerikaner Craig Mello und Andrew Fire für die Entdeckung der RNAi mit dem Nobelpreis bedacht.

Die Bedeutung der RNAi ist in der Zahl der Fachartikel in PubMed sichtbar, erreicht aber nie die Höhen des gesamten "CRISPR"-Phänomens, das ebenfalls die Technologie und das biologische System in Bakterien und Archaeen umfasst. Zu diesem Themenkomplex werden inzwischen mehr als 3000 Artikel im letzten (2017: 3045) und auch jetzt schon diesem Jahr in Pubmed gelistet, während RNAi bis heute nie über die 2000er Marke hinauskam (siehe die folgende Grafik). Der Aufstieg von CRISPR/Cas erinnert damit an eine andere epochemachende Entwicklung, das nobelpreisgekrönte Werkzeug PCR, die Polymerase-Kettenreaktion (Wikipedia), ohne die Forschung in den Bio-Laboren dieser Welt nicht mehr denkbar ist.

Seit 2016 überflügelte die Zahl der veröffentlichten Fachartikel zum Thema CRISPR (die Technologie und das biologische Phänomen) die Zahl der Artikel über das Thema RNAi (die Technologie und das biologische Phänomen). (Daten: RNAi, CRISPR)

Die enorme Zahl an Fachartikeln für die Gen-Schere CRISPR/Cas9 schlägt sich auch an anderer Stelle nieder. Seit 2002 gibt der Medienkonzern Thomson Reuters jährlich eine Nobelpreis-Prognose ab auf Grundlage der wissenschaftlichen Datenbank Web of Science (Wikipedia) (seit 2016 durch die Analysefirma Clarivate). Mit diesen Daten ermitteln die Analysten, wie häufig WissenschaftlerInnen in Fachartikeln anderer ForscherInnen zitiert werden – eine gängige Währung für den Einfluss ihrer Forschung. Darauf basierend präsentiert die Firma Vorschläge, wer im jeweiligen Jahr oder später zu den Preisgekrönten zählen könnte. CRISPR-Forscher traten 2015 (Charpentier/Doudna) und 2016 (Church/Zhang) in diese Halle der PreisträgerkandidatInnen ein. Die Nennung ist zwar keine Garantie, aber zumindest ein Hinweis, dass die Beteiligten irgendwann mit Champagner anstoßen könnten.

Neben all den Statistiken zum Einfluss der CRISPR-ForscherInnen und ihrer Gen-Schere, gibt es auch einen ganz anderen, banalen Grund, warum irgendwann CRISPR/Cas9 an der Reihe ist: Es gibt kaum noch einen Preis, den CRISPR-ForscherInnen nicht schon abgeräumt haben. Zuletzt wurde der norwegische Kavli-Preis, der fast in der Liga des Nobelpreises spielt, an Jennifer Doudna und Emmanuelle Charpentier vergeben, und – als eine Art Überraschungsmoment und vielleicht auch als Statement in Richtung Stockholm – an Virginijus Šikšnys, den litauischen Kollegen, der seine Studie 2012 so kurz nach den beiden Forscherinnen veröffentlicht hatte.

Doch ob der Nobelpreiserfolg gerade in diesem Jahr eintreffen wird? Die Euphorie um CRISPR/Cas9 hat einen Knacks erlitten. Nach Jahren der stetig steigenden Erwartungen gab es in 2017 und 2018 gleich mehrfach Studien, die auf Probleme der Gen-Schere hinweisen. Teils lösten sich die Vorwürfe in Luft auf, teils waren sie aber eben doch fundiert, und so machten sich erstmals Zweifel an den Fähigkeiten der Technologie breit.

Solche Rückschläge gehören zum normalen Entwicklungsprozess einer solchen Methode, aber was ist bei CRISPR schon normal? Infolge der Meldungen rauschten die Aktienkurse beteiligter Biotechunternehmen wie CRISPR Therapeutics, Intellia Therapeutics oder Editas Medicine in die Tiefe. Vielleicht sind diese Fieberkurven der Aktienmärkte auch ein Gradmesser für die Chancen auf den aktuellen Nobelpreis.

Von links nach rechts: Emmanuelle Charpentier, Jennifer Doudna, Feng Zhang, Virginijus Šikšnys, Francisco Mojica
Von links nach rechts: Emmanuelle Charpentier, Jennifer Doudna, Feng Zhang, Virginijus Šikšnys, Francisco Mojica
Hallbauer&Fioretti/UC Berkley/Anhäuser(2)/Vilnius University

And the Winner is?

Wenn es denn dann aber doch soweit ist, sind zwei Wissenschaftlerinnen die Hauptfavoriten: Jennifer Doudna von der Universität von Kalifornien in Berkley und Emmanuelle Charpentier, inzwischen Leiterin der Max-Planck-Forschungsstelle für die Wissenschaft der Pathogene in Berlin. Es waren ihre Teams, die 2012 CRISPR/Cas9 in Science erstmals vorstellten. Sie sind auch diejenigen, die in den letzten Jahren einen Preis nach dem anderen abräumten und nach wie vor regelmäßig wichtige Beiträge zum Thema liefern.

Dass gleich zwei Frauen auf einmal mit dem Nobelpreis in Chemie ausgezeichnet werden, würde den Frauenanteil dramatisch erhöhen. Unter den 168 PreisträgerInnen in Chemie waren bisher nur vier Frauen, darunter Marie Curie im Jahr 1911 für ihre Entdeckung von Radium und Polonium und zuletzt 2009 Ada Yonath für ihre Arbeiten zu Ribosomen

Wenn die beiden Forscherinnen aber gesetzt sind, gäbe es maximal nur noch einen Platz auf dem Siegertreppchen zu vergeben, falls das Nobelpreiskomitee sich nicht beschränken will. Nach aller Wahrscheinlichkeit würde dieser Platz von einem Mann besetzt, denn auch das CRISPR-Forschungsfeld hat einen erheblichen Männerüberhang. 

Patentwürdig = preiswürdig?

Als erster käme wohl Feng Zhang vom MIT in Boston infrage, zumindest wenn man darauf schaut, wer neben den beiden Forscherinnen in den letzten Jahren nicht nur die Zitationslisten und Preisvergaben, sondern auch die Schlagzeilen anführte. In den Medien landete Zhang, stellvertretend für das Broad-Institute von MIT und Harvard University, weil er der Konkurrent der beiden Forscherinnen in einem Patentstreit von bislang einzigartigem Ausmaß ist.

Im Kern geht es – vereinfacht gesagt – sowohl im Patentstreit als auch bei der Nobelpreisvergabe um folgende Frage: War das, was Feng Zhang, George Church und ihre KollegInnen im Januar 2013 in Science präsentierten, in der Entwicklung der Gen-Schere wirklich ein so bedeutender Schritt voran, dass dies patent- und preiswürdig wäre?

In den beiden Arbeiten hatten Zhang und seine KollegInnen als erste gezeigt, wie die Gen-Schere in lebenden Zellen von Mensch und Maus funktioniert. CRISPR/Cas9 ist ein System aus Bakterien und Archaeen, also Einzellern ohne Zellkern. Zellen von Menschen, Tieren und Pflanzen besitzen aber einen Zellkern, in dem das Erbgut schwimmt (die DNA und angelagerte Proteine, das Chromatin). Die Zellen sind komplexer aufgebaut und es ist viel schwieriger, an das Erbgut heranzukommen. Das Team um Doudna und Charpentier hatten ihre Pionierschere im Reagenzglas freischwimmend außerhalb von Zellen untersucht und getestet, ohne die Probleme, die ein Zellkern verursachen könnte. Jennifer Doudna hatte zudem öffentlich bekundet, dass der Zellkern ein „enormer Flaschenhals“ für den Einsatz von CRISPR/Cas9 sei (trotzdem hat ihr Team es kurz nach Zhang ebenfalls geschafft CRISPR/Cas9 in menschlichen Zellen einzusetzen). 

Ein Berufungsgericht in den USA war zuletzt zu dem Schluss gekommen (pdf), vieles spreche dafür, dass es eine patentwürdige Erweiterung der Gen-Schere sei, den „Flaschenhals“ als Erster zu überwinden. Deshalb sprach es Zhang und seinen Kollegen vom Broad-Institute mehrere lukrative Patente für die USA zu. Nicht nur die Ehrlichkeit Doudnas, auch die Probleme, die es mit anderen Gen-Scheren bei Zellen mit Zellkern zuvor schon gegeben hatte, war den Juristen Hinweis genug. 

Doch was in einem Gerichtssaal überzeugt, muss in den Laboren dieser Welt noch lange nicht überzeugen. Und so finden sich eben auch Forscher und Juristen, die den Erkenntnisgewinn der Arbeiten aus dem Broad-Institut für weniger bedeutend halten. In Europa bekamen zudem Jennifer Doudna und Emmanuelle Charpentier die Patente zugesprochen.

Gruppenbild der Teilnehmer der zehnten CRISPR-Konferenz in Vilnius, Litauen, 22. Juni 2018.
Die Gemeinde der CRISPR-Forscher ist groß: Teilnehmer der zehnten CRISPR-Konferenz in Vilnius, Litauen, 22. Juni 2018.
Anhäuser

Mehr Kandidaten als Plätze

Wie das Nobelkomitee die Situation einschätzt, wird die Welt erst erfahren, wenn CRISPR an der Reihe ist. Sollte sich Stockholm dann gegen Zhang entscheiden, gäbe es aber durchaus noch einige andere Kandidaten. Da wäre zum Beispiel Virginijus Šikšnys, der litauische Wissenschaftler, der mit seinem damaligen Doktoranden Giedrius Gasiunas (und den beiden DuPont-Mitarbeitern Rodolphe Barrangou und Philippe Horvath (Wikipedia)) im gleichen Jahr wie Doudna und Charpentier eine ähnliche Untersuchung publiziert hatte. Das Quartett hatte seinen Artikel damals sogar mehrere Monate vor den beiden Forscherinnen bei einer Zeitschrift eingereicht, wurde aber zweimal abgewiesen, während das Doudna-Charpentier-Paper innerhalb von zwanzig Tagen den Begutachtungsprozess bei Science durchlief.

Die Leistung des Litauers von der Universität Vilnius ist unbestritten preiswürdig, sonst hätte Šikšnys wohl kaum den renommierten Kavli-Preis in diesem Jahr bekommen – zusammen mit Doudna und Charpentier. Aber ist das auch schon ein Fingerzeig in Richtung Nobelpreis?

Die Pioniere der Grundlagenforschung

All die Spekulationen um den Preis der Nobelstiftung kreisen indes immer nur um ForscherInnen, die an der Entwicklung der Gen-Schere beteiligt waren. Dabei werden die jungen MitarbeiterInnen und Doktoranden der Teamleiter meist ignoriert, selbst wenn sie die Erstautoren der wichtigen Fachartikel sind, wie etwa im Fall von Martin Jinek und Krzysztof Chylinski im Doudna/Charpentier-Team, Giedrius Gasianus im Šikšnys-Labor oder Le Cong und Prashand Mali in den Zhang und Church-Teams.

Meist fällt auch die Pionierarbeit all derer unter den Tisch, die ihren Beitrag in den über zwei Jahrzehnten zuvor geleistet hatten, und ohne die es nie eine Gen-Schere gegeben hätte.

Barrangou und Horvath, die Co-Autoren des Šikšnys-Artikel über die Gen-Schere, konnten auch schon 2007 mit einem grandiosen experimentellen Ansatz nachweisen, dass CRISPR/Cas eine Virenabwehr der Einzeller ist – und sie lösten damit einen ersten Schub an Forschungsarbeiten aus. 

Stellvertretend für all diese Grundlagenforscher steht vor allem der spanische Mikrobiologe Francisco Mojica von der Universität von Alicante. Er hat wie viele andere das biologische Phänomen der Virenabwehr über Jahre abseits des Trubels beharrlich erforscht, und er war einer der ersten, der überhaupt begriff, dass die ungewöhnlichen CRISPR-DNA-Sequenzen. die er in den Gensequenzen so vieler verschiedener Bakterien und Archaeen fand, etwas Bedeutendes sein müssen. Francisco Mojica wäre für viele so etwas wie ein Nobelpreisträger der Herzen.

Aber auf dem Siegertreppchen ist nur Platz für drei, und so werden die meisten, die den Preis ebenfalls verdient hätten, ungenannt bleiben. Damit bestätigt sich einmal mehr, was immer häufiger am Nobelpreis kritisiert wird: Der Preis in seiner jetzigen Form passt nicht mehr zur Wissenschaftswelt von heute und hat in vielen Fällen fast schon zwanghaft einzelne Personen ins Rampenlicht gestellt, andere ins Vergessen gebracht.

Warum das gerade auch im Fall von CRISPR/Cas9 zutreffen dürfte, wird jeder verstehen, der in den nächsten Monaten meine Serie #CRISPRhistory verfolgt. Für mich ist die Geschichte von CRISPR/Cas9 nicht nur ein Lehrbuchbeispiel dafür, wie aus nerdiger Grundlagenforschung eine epochemachende – und vielleicht schon bald – Nobelpreis gekrönte Anwendung wird. Es ist auch ein ebenso schönes Beispiel dafür, wie WissenschaftlerInnen auf der ganzen Welt und aus unterschiedlichen Bereichen dazu beitragen, ein grundlegendes biologisches Rätsel zu lösen, um dann zu lernen, wie sie es für ihre Zwecke nutzen können. 

Es sind nicht nur Giganten, auf deren Schultern WissenschaflerInnen stehen und Neues entdecken, wie es Newton und andere vermuteten; es sind die KollegInnen weltweit, die es anderen ermöglichen, noch einen Schritt weiter zu sehen.

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