Zum ersten Mal bearbeiteten Wissenschaftler ein Gen in befruchteten menschlichen Eiern, das für die frühe Entwicklung entscheidend ist. Die Experimente halfen den Forschern, die Grundlagen der Humanbiologie auf eine Art und Weise kennenzulernen, die sie mit der Forschung an Mäusen nicht erreichen konnten.
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Forscher um Kathy Niakan, eine Entwicklungsbiologin am Francis Crick Institute in London, haben ein Gen deaktiviert, das für ein Protein namens OCT4 kodiert, das bekanntermaßen in Stammzellen aktiv ist und sich zu allen im Körper vorkommenden Zelltypen entwickeln kann, berichtet Gretchen Vogel für die Wissenschaft . Durch das Ausschalten des Gens wurde sichergestellt, dass Zellen aus befruchteten menschlichen Eiern keine Plazentazellen, Dottersackzellen oder sogar Zellen bilden, die typischerweise ein Fötus werden würden.
Die Deaktivierung desselben Gens in Mausembryonen führt zu unterschiedlichen Ergebnissen: Diese Embryonen wurden zu Bällen von größtenteils Plazentazellen. Die Ergebnisse legen nahe, dass das Gen das Schicksal mehrerer Zelllinien kontrolliert und beim Menschen eine etwas andere Rolle spielt als bei Mäusen.
"Dies eröffnet die Möglichkeit, ein wirklich leistungsfähiges, präzises Genetik-Tool zu verwenden, um die Genfunktion zu verstehen", sagt Niakan Rob Stein von NPR . "Wir hätten diese Einsicht nie gewonnen, wenn wir die Funktion dieses Gens in menschlichen Embryonen nicht wirklich untersucht hätten."
Die Forscher haben ihre Ergebnisse gestern in Nature veröffentlicht.
Trotz dieser Einsicht ist die Arbeit eher ein Beweis für das Prinzip - eine Demonstration der Leistungsfähigkeit und Nützlichkeit der CRISPER-Cas9-Genom-Bearbeitungstechnik, berichtet Vogel. Die Technologie ähnelt einer molekularen Schere, mit der Forscher bestimmte DNA-Teile aus dem Genom herausschneiden und den Code sogar durch ihre eigenen Anweisungen ersetzen können.
Bereits Wissenschaftler haben mit dem Tool eine Reihe wichtiger Fortschritte und Entdeckungen erzielt, darunter das Engineering von Labortieren nach Maß und das Testen potenzieller Krebstherapien. In den letzten Jahren gab es auch mehrere Vorstöße auf dem Gebiet der Bearbeitung des menschlichen Genoms. Im August setzten US-amerikanische Wissenschaftler CRISPR ein, um eine Mutation zu korrigieren, die eine tödliche Herzerkrankung verursacht. (Andere Wissenschaftler haben diese jüngsten Behauptungen inzwischen in Frage gestellt, berichtet Ewen Callaway for Nature .)
Bei jedem Schritt auf diesem Weg ist jedoch Vorsicht geboten.
"Die Sorge ist, dass wir die Tür zu Fertilitätskliniken öffnen, die versuchen, Gen-Editing anzubieten, um zukünftige Kinder größer oder stärker zu machen oder was auch immer sie vermarkten wollten", sagte Marcy Darnovsky, Leiterin einer Genetik-Überwachungsgruppe namens "Center for Genetics" Gesellschaft, sagt NPR . "Das könnte uns in eine Situation bringen, in der manche Kinder als anderen Kindern biologisch überlegen wahrgenommen wurden."
Die Arbeit von Niakan und ihren Kollegen ist davon jedoch weit entfernt. Die Forscher mussten sich bei der Human Fertilization and Embryology Authority bewerben, einer in Großbritannien gegründeten Institution, die die vorgeschlagene Forschung zur Embryonenbearbeitung rigoros überprüft, berichtet Vogel for Science .
"Tag 5-Embryo" (links) zeigt den Embryo am fünften Entwicklungstag und "Tag 5-editierter Embryo" zeigt einen editierten Embryo ohne OCT4. Es bildet keine richtige Blastozyste, was zeigt, dass OCT4 für die Blastozystenentwicklung benötigt wird (Dr. Kathy Niakan / Nature) In klassischen genetischen Studien deaktivieren Forscher Gene routinemäßig, um herauszufinden, wie sie funktionieren, berichtet Ricki Lewis für das Genetic Literacy Project . Mit CRISPR können sie dies jedoch mit größerer Präzision und Genauigkeit tun.
Die neue Studie verwendete befruchtete Zellen, die nach In-vitro- Fertilisationsbehandlungen gespendet wurden. "Wenn es darum geht, die frühe menschliche Entwicklung zu beleuchten, gibt es nichts, was der Verwendung der realen Sache gerecht wird: menschlicher Zellen und Gewebe", schreibt Lewis.
Die Forscher deaktivierten das Gen, das für OCT4 kodiert, sehr früh in der Entwicklung. Bei mehr als 80 Prozent der 41 getesteten befruchteten Eizellen bildeten die wachsenden und sich teilenden Zellen keine Hohlkugel mit etwa 200 Zellen, die als Blastozyste bezeichnet wurde. Viele In-vitro- Fertilisationsbemühungen scheitern in diesem Stadium. Daher ist es für Forscher ein kritischer Punkt, dies zu verstehen.
"Durch das Verständnis der Schlüsselgene, die an der Entwicklung der Blastozyste beteiligt sind, kann dies unser Verständnis dieses wichtigen, kritischen Fensters der menschlichen Entwicklung entscheidend beeinflussen", sagt Niakan gegenüber NPR .
In einem Editorial lobte Nature selbst die Forschung als ein Beispiel dafür, wie die Bearbeitung des menschlichen Genoms durchgeführt werden sollte:
Die besonderen Anforderungen des Studiums werden unterschiedlich sein, aber ein starker Rahmen für die frühestmögliche Bewertung scheint der beste Weg zu sein, um sicherzustellen, dass sie den höchsten Standards entsprechen. Aufsichtsbehörden, Geldgeber, Wissenschaftler und Herausgeber müssen weiterhin zusammenarbeiten, um die Details des Weges für die Bearbeitung des Keimbahngenoms festzulegen, damit die wertvollen Ressourcen und Werkzeuge, die uns jetzt zur Verfügung stehen, mit Bedacht eingesetzt werden.
Zukünftige Experimente könnten CRISPR nutzen, um die Rolle anderer Gene zu untersuchen. Und Experten werden genau hinschauen, um die Ethik dieser Arbeit zu überwachen.
