CRISPR, Tuberkulose und die Suche des Jan van Embden

#7 | In den 1990er Jahren hatte CRISPR nicht mal seinen Namen. Und doch setzte es eine niederländische Forschergruppe ein, um eine der Geißeln der Menschheit zu bekämpfen. Dies ist die bisher nie erzählte, erste Erfolgsstory von CRISPR aus der Zeit, als noch niemand wusste, was das eigentlich ist.

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25 Minuten
Zwei blaue Säulen aus CRISPR/Cas9-Molekülen vor grünem Hintergrund und den Titeln der für dieses Kapitel relevanten Fachartikel.

Auch heute noch ist die Gen-Schere CRISPR/Cas9 vor allem ein Versprechen. Sie ist ein Versprechen auf eine bessere Zukunft, trotz all der Schlagzeilen, die sie jetzt schon täglich macht. Bis die großen Ziele erreicht sind – die Heilung schwerer Krankheiten, der alltägliche Einsatz in der Pflanzenzüchtung, das auferstandene Mammut – braucht es Zeit, wenn es denn überhaupt jemals gelingt. Rückschläge sind vorprogrammiert.

Doch es gibt eine Erfolgsgeschichte, die bereits beginnt, als CRISPR nicht mal seinen Namen hat oder auch nur jemand ahnt, was dieses eigenartige DNA-Muster aus gleichlangen Wiederholungssequenzen (den repeats) und ähnlich langen Zwischenstücken (den spacern) für eine Funktion hat.

„Das ist eine tolle Geschichte, nicht wahr!“ Jan van Embdens Begeisterung für die CRISPR-Historie ist sogar durch die E-Mail hindurch zu spüren, die mir der 75-Jährige schickt. Ich habe den niederländischen Forscher kontaktiert, um mehr über seinen Anteil an dieser Geschichte zu erfahren, seinen Teil, der dieses ganze Kapitel füllt, aber bisher nie erzählt wurde.

Van Embden und sein Team haben CRISPR benutzt, um eine der bedrohlichsten Erkrankungen der Menschheit besser zu verstehen und weniger bedrohlich zu machen: Tuberkulose (TB). Doch die Forscher haben das nicht mit der CRISPR/Cas-Gen-Schere und genome editing erreicht, von denen heute meist die Rede ist. Die Schere ist zu den Zeiten, als van Embdens Arbeitsgruppe in den 1990er Jahren auf das eigenartige Muster im Genom eines Bakteriums stößt, nicht mal am Horizont zu erkennen. Damals, ganz am Anfang, gibt es überhaupt nur jene einzige, japanische Arbeitsgruppe die Jahre zuvor ein eigenartiges DNA-Muster in Escherichia coli-Bakterien entdeckt und dann aus den Augen verliert (siehe das vorherige Kapitel: „CRISPR-Beginn: Herr Ishino und die wunderbare Ahnungslosigkeit“). Die Niederländer sind sozusagen die zweite Chance der Menschheit, CRISPR zu entdecken.

Ausschnitt aus der Karte Europas mit den Niederlanden im Zentrum, und der Ort Bilthoven in rot hervorgehoben.
Bilthoven in den Niederlanden, der Forschungsort von Jan van Embden.

Jan van Embden klingt wie der Name eines niederländischen Renaissancemalers. Ein alter Meister ist er indes in einer ganz anderen Profession: in der Molekularbiologie von Krankheitserregern (neben einigen anderen Themen, denen er sich in seinem Forscherleben widmete). Ab 1970 arbeitet der junge van Embden, der zum Biochemiker ausgebildet worden war, am Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieu (RIVM, Netherland National Institute for Public Health) in Bilthoven, wenige Kilometer nordöstlich von Utrecht und der dortigen Universität. Er wird dort bis zu seiner Pensionierung im Jahr 2004 bleiben.

In den 1970er Jahren nimmt die biotechnologische Revolution so richtig an Fahrt auf. Grundlegende molekularbiologische Techniken werden entwickelt. Erstmals können Forscher DNA gezielt schneiden und Gene in Bakterien wie E. coli einbauen; sie entwickeln die ersten Methoden zur Sequenzierung und präsentieren im Jahr 1976 das erste vollständig sequenzierte Genom überhaupt – das eines Virus’, das Bakterien befällt. Biologen bestücken nach und nach ihren Werkzeugkasten, um die basale Ebene des Lebens zu verstehen und zu verändern.

Jan van Embden erforscht zunächst die Antibiotika-Resistenz von Salmonellen und sattelt dann auf den Syphillis-Erreger um. Für dessen Diagnose braucht man Antigene, die zu dieser Zeit noch aus Bakterien aus den Hoden von Kaninchen extrahiert werden. Mit den neuen molekularbiologischen Werkzeugen schafft es van Embden, die Antigene in E. coli-Bakterien zu produzieren – was nicht nur den Kaninchen gefällt.

Dann sucht die Weltgesundheitsorganisation (WHO) Anfang der 1980er Jahre Projekte, die mit genau dieser Technik die Diagnose von Tuberkulose verbessern sollen. Van Embdens Team bewirbt sich um die Gelder – und bekommt den Zuschlag. So beginnt seine Liaison mit dem Erreger der Tuberkulose Mycobacterium tuberculosis, die ihn bis ans Ende seiner Karriere 2004 begleiten wird.

Tuberkulose – früher auch als Schwindsucht bezeichnet – war immer eine der Geißeln der Menschheit und ist heute noch die Infektionskrankheit, die weltweit die meisten Menschen tötet. Auch wenn die wenigsten tatsächlich erkranken, die sich das Bakterium einfangen, sterben heute trotzdem jeden Tag vier- bis fünftausend Menschen daran, vor allem in Südostasien und Afrika. Die Zahlen in den industrialisierten Ländern sind zwar seit dem Zweiten Weltkrieg stetig gefallen – 1953 registrierten die US-amerikanischen Zentren für Seuchenkontrolle und -prävention (CDC) rund 84.000 TB-Fälle im Land, 1985 sind es nur noch 22.000. Doch mit der Aids-Epidemie und zunehmenden Resistenzen der Bakterien gegen Antibiotika schlägt der Erreger in den 1980er Jahren zurück. In den USA schnellt die Zahl bis 1992 auf mehr als 26.000 Erkrankte hoch.

Die Mediziner erwischt die „Schwindsucht“ auf dem falschen Fuß, denn Forschungsgelder sind mit der Zeit wegen der sinkenden Erkrankungszahlen zusammengekürzt worden. Eigentlich dachten die Verantwortlichen, sie hätten die Krankheit im Griff, doch die Werkzeuge im Kampf gegen Tuberkulose sind seit über hundert Jahren fast die gleichen geblieben. Wie eh und je färbt man Bakterien in Abstrichen unter dem Mikroskop an, um sie einigermaßen sicher zu identifizieren und setzt ein paar Jahrzehnte alte Antibiotika oder einen wenig wirksamen Impfstoff ein, um der Krankheit Herr zu werden. Das Wissen über den Erreger, seine Art sich zu verbreiten, ist begrenzt. Neue Mittel und neue Methoden zur Diagnose sind von Nöten, um die neue Erkrankungswelle in den Griff zu bekommen.

Was die Buchstaben der Abkürzung CRISPR/Cas9 bedeuten, erfährst Du in der Grafik. Einfach mit dem Mauszeiger über oder dem Finger auf einen Buchstaben tippen. (Bei Problemen mit der Grafik hilft es, die Seite neu zu laden).

Zwei entscheidende Entwicklungen

Bevor van Embden und sein Team wirkungsvoll in diesen Kampf einsteigen und damit ihren Beitrag zur Geschichte von CRISPR/Cas leisten, braucht es indes zwei weitere entscheidende Entwicklungen.

Die eine ist die Erfindung einer der wichtigsten Labortechniken überhaupt: die Polymerase-Kettenreaktion (PCR, polymerase chain reaction). Der Biochemiker Kary Mullis hat den Heureka-Moment dazu in einer Frühlingsnacht 1983, als er mit seiner Freundin im Wagen auf dem Weg zu seiner Hütte in Nordkalifornien ist. Zehn Jahre später erhält er dafür den Nobelpreis. Mit dieser Methode ist es möglich, winzigste Mengen an Genmaterial beliebig oft zu vervielfältigen und damit so stark anzureichern, dass man eine individuelle Sequenz überhaupt erst eindeutig nachweisen und genauer untersuchen kann. Ohne PCR wären die moderne Molekularbiologie und die Biotechnologie sowie viele bahnbrechende Entwicklungen vom genetischen Fingerabdruck bis zum Vaterschaftsnachweis kaum denkbar. Die Rolle der PCR ist in der Geschichte der Biowissenschaften kaum zu überschätzen. Sie dürfte die am häufigsten verwendete Labormethode überhaupt sein. Man könne die Biologie in eine Epoche vor und eine nach der PCR einteilen, schreibt die New York Times im Jahr 1998.

Das zweite Ereignis ist nicht so spektakulär, aber dennoch bedeutend. Es ist eine Entdeckung französischer Forscher, die es erstmals ermöglicht, die Erreger der Tuberkulose mit gentechnischen Mitteln zu erkennen, zu unterscheiden und somit genauer zu erforschen. Bis Ende der achtziger Jahre war all das noch ein hoffnungsloses Unterfangen gewesen.

Denn auch wenn man immer von dem Erreger der Tuberkulose Mycobacterium tuberculosis spricht, handelt es sich eigentlich um eine Gruppe von mehreren Bakterienunterarten, die alle Tuberkulose bei Menschen und Tieren auslösen. Dazu zählt der Hauptverursacher M. tuberculosis, aber auch die Rindervariante M. bovis, die Rinder, aber eben auch Menschen infiziert, und die beide unter dem Mikroskop leicht zu verwechseln sind. Forscher fassen all diese Unterarten unter dem Begriff Mycobacterium tuberculosis-Komplex zusammen (engl. Mycobacterium tuberculosiscomplex, MTC oder MTBC).

Obwohl es also verschiedene Unterarten des stäbchenförmigen TB-Erregers gibt, gilt Ende der 1980er Jahre der gesamte Komplex als genetisch so gleichförmig, dass man die verschiedenen Einheiten mit den damals möglichen Methoden auf der Ebene der DNA kaum zu fassen bekommt. Die genetischen Unterschiede zwischen den Unterarten erscheinen einfach zu klein. Aber nur wenn man die Erreger genau identifizieren kann, kann man ihre Ausbreitung nachzeichnen oder überprüfen, wer sich bei wem angesteckt hat. Auch Kontaminationen im Labor oder im Krankenhaus lassen sich nur so sicher nachzeichnen.

All das ändert sich, als im Januar 1990 eine aufsehenerregende, einseitige Mitteilung im Fachblatt Nucleic Acids Research (PDF) erscheint, die ausführlich durch eine Arbeit in der Dezemberausgabe des Journal of Clinical Microbiology (PDF) ergänzt wird. Der französische Molekularbiologe Dominique Thierry und seine Kollegen am Institut Pasteur in Paris haben eine DNA-Sequenz entdeckt, die 1361 Basenpaare lang ist, und sich mehrfach im Chromosom der Tuberkelbakterien wiederholt. Die Forscher nennen sie Insertions-Element 6110, kurz IS6110, ein Vertreter der „mobilen genetischen Elemente“, die es – wie man heute weiß – in den Genomen der Organismen dieser Welt in Hülle und Fülle gibt. Es ist ein klassisches „egoistisches Gen“, fast so etwas wie ein Virus, wenn auch nicht so zerstörerisch. Die Sequenz vervielfältigt sich selbstständig und fügt sich immer wieder ins Genom ein, einfach weil sie es kann. Ein blinder Passagier im Chromosom der Bakterien.

Der Clou ist: Thierry und seine Kollegen weisen nach, dass IS6110 exklusiv in den Vertretern des Tuberkulose-Komplexes vorkommt, sich aber durch Position und Häufigkeit von Unterart zu Unterart unterscheidet. Damit ist es als Marker für das Auseinanderhalten der verschiedenen Typen von Tuberkulose-Erregern prädestiniert. Das macht den Fund so aufregend. Er öffnet eine neue Tür.

Der einzige Nachteil der Methode, die Thierry und Kollegen in der Folge entwickeln: Weil für die Analyse sehr viel DNA nötig ist, müssen die Bakterien erst kultiviert werden, was viele Wochen dauert, weil Tuberkulose-Bakterien echte Wachstumsschnecken sind. E. coli braucht im Labor unter günstigen Bedingungen zwanzig bis dreißig Minuten, um sich zu verdoppeln, bei M. tuberculosis kann das bis zu einem Tag dauern. Um ausreichende Mengen an Tuberkel-DNA zu erhalten, wachsen die Tuberkel-Kulturen ein paar Wochen.

Die Portraits von Jan van Embden und Peter Hermans links und rechts ihres Fachartikels aus dem Jahr 1991 vor grünem Hintergrund.
Peter Hermans (re.) und Jan van Embden (li.) und die erste Seite ihres Fachartikels aus dem Jahr 1991 im Fachmagazin 'Infection and Immunity', in dem sie erstmals CRISPR im Genom des Rinder-Tuberkulosebakteriums Mycobacterium bovis BCG beschreiben, das die Grundlage des Tuberkulose-Impfstoffs ist.

Für Jan van Embdens Team ist die Entdeckung von IS6110 der Startschuss, solche Wiederholungssequenzen im M. tuberculosis-Komplex zu suchen und zu erforschen. Die Niederländer erkennen das Potenzial für die Diagnostik der Tuberkulose, denn, so van Embden: „Es war lange bekannt, dass solche repetitiven Sequenzen in Bakterien ziemlich variabel sind.“ Und eben wegen dieser Variabilität könne man sie nutzen, um Bakterienstämme und Unterarten voneinander zu unterscheiden. Genau das brauchte es, um den Tuberkulose-Komplex endlich genetisch zu erschließen und ein weiteres potentes Diagnostiktool im Kampf gegen die Erreger in die Hände zu bekommen.

Inzwischen nutzt die niederländische Arbeitsgruppe auch die neue PCR-Technik, womit sie für eine Analyse mit winzigen Mengen an DNA auskommt. Jan van Embdens Mitarbeiter Peter Hermans, Mitte Zwanzig, macht sich im Rahmen seiner Doktorarbeit als erster auf die Suche nach weiteren Wiederholungssequenzen. Und er schaut sich IS6110 bei einem ganz speziellen Fall genauer an: beim Tuberkulose-Bakterium M. bovis BCG.

Die Rindervariante mit dem Zusatz BCG spielt in der Tuberkulose-Geschichte eine besondere Rolle. BCG steht für Bacillus Calmette-Guérin. Die Franzosen Albert Calmette (1863–1933) und Camille Guérin (1872–1961) hatten Anfang des 20. Jahrhunderts aus dem Wildtyp von Mycobacterium bovis durch wiederholte Fortzüchtung ein abgeschwächtes Bakterium entwickelt. Diese Form war dann die Grundlage für den bisher einzigen Impfstoff, der vor allem nach dem Zweiten Weltkrieg gegen die Tuberkulose eingesetzt wurde. Inzwischen wird er nur noch in einzelnen Ländern verwendet, weil er nicht sehr wirksam und auch nicht besonders sicher ist. Welche Veränderungen auf der Gen-Ebene das Bakterium während der Züchtungsschritte abgeschwächt hatten, war indes nie klar geworden.

Hermans möchte genau das herausfinden und geht einem Verdacht nach. In dem abgeschwächten Bakterienstamm findet sich nur ein einziges Exemplar von IS6110. Solche mobilen genetischen Elemente sind nicht besonders gefährlich für Bakterien, es sind eben keine Viren. Trotzdem kann es passieren, dass sie sich beim Einnisten ins Chromosom mitten in die Sequenz eines funktionierenden Gens quetschen. Damit machen sie den genetischen Code an dieser Stelle für die Zelle unlesbar, und das Bakterium verliert eine wichtige Funktion.

Hermans will nun in seiner Studie überprüfen, ob das Tuberkulose-Bakterium des Impfstoffs seine Gefährlichkeit – seine Virulenz – schlicht dadurch verlor, dass IS6110 sich ausgerechnet in die Sequenz eines Gens verpflanzte, das für die Virulenz des Keims maßgeblich ist. Der junge Forscher sequenziert also die Umgebung um das IS-Element herum. Er möchte herausfinden, in welcher genetischen Landschaft IS6110 – das in diesem Bakterium IS987 heißt – gelandet ist. Und er wird ziemlich überrascht: Statt eines einzelnen Gens findet Hermans etwas völlig anderes.

Ausschnitt eines Artikels von Peter Hermans.
Ausschnitt aus Peter Hermans Artikel, in dem er den ersten Fund der direct repeat-Sequenzen (die später CRISPR genannt werden) beschreibt, auf Seite 2697, Band 59, Ausgabe 8 von „Infection and Immunity“ im Jahr 1991.
Spoligotypen verschiedener Tuberkulose-Bakterien
Schematische Darstellung der Spoligotypen verschiedener Tuberkulose-Bakterien. Jede Zeile steht für eine Bakterien-Linie. Ein Rechteck gibt an, wenn eine spacer-Sequenz vorhanden ist, bei einem Punkt fehlt diese. Insgesamt gibt es 43 Positionen, für die dies ermittelt wird. Die Zeilen sortiert Judith Kamerbeek ganz einfach mit der Sortierfunktion ihres Schreibporgramms Word Perfect 5.1.
Zwei Fachartikel aus der Arbeitsgruppe Jan van Embdens mit bibliographischen Angaben vor grünem Hintergrund.
Zwei Fachartikel aus Jan van Embdens Arbeitsgruppe: Der erste CRISPR-Nachweis in Tuberkulosebakterien (Hermans et al.) und der erste Versuch, diese Strukturen als Nachweis- und Typisierungsmethode für Tuberkulosebakterien zu nutzen (Groenen et al.).
Zwei Fachartikel mit bibliographischen Angaben vor grünem Hintergrund.
Zwei weitere Fachartikel aus Jan van Embdens Arbeitsgruppe: Judith Kamerbeeks Arbeit, in der sie das Spoligotyping vorstellt und Jan van Embdens Artikel, in dem er versucht, die Herkunft der CRISPR-Strukturen („Direct Repeat Locus“) zu erklären.

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