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Das Biotech-Unternehmen Sangamo kann Gene nicht nur ein- oder ausschalten, sondern auch reparieren: Mit Proteinen, die selbsttätig die fehlerhafte DNA-Stelle ansteuern.

Es war kein Forscher, kein in Laborarbeit vertieftes Genie, das der Gentherapie ihre zweite Chance eröffnete. Es war ein Manager, der sich anno 1994 mit den Patentproblemen seines Unternehmens herumschlug. Zur Zerstreuung las Edward Lanphier, damals Finanzchef des Gentherapie-Startups Somatix, ein paar Arbeiten des Nobelpreisträgers Sir Aaron Klug. Der Biochemiker vom britischen Laboratory of Molecular Biology in Cambridge hatte Eiweiße mit den Eigenschaften eines Zielerfassungssystems entdeckt. Treffsicher aufs Atom genau – das perfekte Vehikel für die Genmedizin.

Während Molekularbiologen wie Klug nur darüber schrieben, was damit möglich wäre, wurde der Geschäftsmann Lanphier aktiv. Er verließ Somatix, lizenzierte die nötigen Patente, meldete selbst welche an und startete 1995 die Biotechfirma Sangamo BioSciences in Richmond bei San Francisco. Der Wechsel hat sich gelohnt: Mittlerweile haben Lanphiers Forscher aus der Idee eine Technik entwickelt, mit der defekte menschliche Gene gezielt repariert werden können.

Vergleichbares hat es nie zuvor gegeben, obwohl seit rund 15 Jahren tausende so genannter Gentherapien in klinischen Versuchen getestet wurden. Denn die meisten der Forscher, die sich Gentherapeuten nennen, sind in Wirklichkeit eher Genschmuggler: Sie versuchen, zusätzlich zum kaputten Gen eine intakte Version in die Zelle einzuschleusen, in der Hoffnung, dass diese sich durchsetzt. Doch häufig geht das kostbare Schmuggelgut auf dem Weg in die Zelle einfach verloren. In mindestens zwei Fällen endete der Austauschversuch sogar tödlich: So starb 1999 ein 18-Jähriger an einer Überdosis von Viren, mit denen ein Gen in seine Zellen eingeschleust werden sollte. Und bei dem zunächst als Erfolg gefeierten Versuch, eine Gruppe von Kindern mit einer erblich bedingten Immunschwäche mittels Gentherapie zu heilen, erkrankten drei der Kinder an Blutkrebs – ausgelöst durch das heilversprechende Ersatzgen, das im Erbgut der Patienten zufällig ein Krebsgen eingeschaltet hatte. Zwei der Kinder konnten geheilt werden, eines starb an diesen Nebenwirkungen.

Seither war die Gentherapie-Szene im Schock erstarrt – bis die Sangamo-Forscher im April 2005 an derselben Krankheit, der SCID (Severe Combined Immunodeficiency), zeigen konnten, dass sich mit ihrer Technik solche Risiken vermeiden lassen. Ein „neuer Sicherheitsstandard“, jubelte der Molekularbiologe Scott Wolfe von der University of Massachusetts, von einem „beträchtlichen Fortschritt“ sprach die Präsidentin der amerikanischen Gentherapie-Gesellschaft Katherine High. Sangamo scheint auf dem besten Weg, gleich zwei Versprechen der modernen Wissenschaft einzulösen: Tatsächlich könnte es möglich werden, defekte Gene im Körper zu reparieren und so schwerste Krankheiten zu heilen. Und tatsächlich kommen dabei Werkzeuge zum Einsatz, die man getrost als Nanoroboter bezeichnen könnte: Proteine, die selbsttätig die fehlerhafte DNA-Stelle ansteuern und reparieren.

FINGER AUF DEN GENEN

Edward Lanphier hatte bereits Erfahrungen mit den Tücken der Biotechnologie bei Pharmakonzernen wie Eli Lilly oder Synergen gesammelt, als er zu Somatix wechselte. Dort entwickelte man Transportvehikel, so genannte Vektoren, um Gene in die Zellen erbkranker Patienten zu schleusen. „Wir hatten aber keine therapeutischen Gene, die wir hätten hineinpacken können“, sagt der gelernte Biochemiker und versucht im fensterlosen Konferenzraum vergebens, den Beamer in Gang zu bringen: Die Rechte daran lagen bei Pharma- oder Biotech-Firmen wie Amgen oder Genentech. In dieser Situation stieß Lanphier in einer Fachzeitschrift auf die zielsicheren Proteine von Aaron Klug – „Zinkfinger“ hatte der britische Forscher seine Entdeckung getauft, denn die kleinen Eiweiße hatten eigentümliche, fingerähnliche Ausstülpungen, die an der Basis durch ein Zink-Atom in Form gehalten wurden.

Damit können sie buchstäblich nach DNA greifen und sie abtasten, um zu überprüfen, aus welchen Bausteinen sie besteht. Wenn sie die richtige Kombination der vier DNA-Bausteine Adenin, Thymin, Cytosin und Guanin gefunden haben, krallen sie sich fest – so sind sie in der Lage, in einem Milliarden Bausteine langen DNA-Stück einen ganz bestimmten Abschnitt zu finden und daran kleben zu bleiben. Ein Finger erkennt dabei drei bis vier DNA-Bausteine. Welche das sind, ist vom Aufbau des Zinkfingers abhängig. Zwei Zinkfinger in einem Protein nebeneinander bleiben an einer sechs Bausteine langen DNA-Sequenz hängen, bei drei Fingern muss schon eine Abfolge von neun DNA-Bausteinen passen und so weiter.

„Man kann Zinkfinger wie Legosteine miteinander kombinieren“, erklärt Lanphier begeistert. „Ein einzigartiges Bauprinzip“, denn alle anderen bekannten DNA-bindenden Eiweiße bleiben eher zufällig an einer bestimmten DNA-Bausteinabfolge kleben. Allein bei den Zinkfingern steckt eine nachvollziehbare Logik dahinter. Entsprechend häufig nutzt die Natur das Prinzip: „Zinkfinger-Proteine finden sich in allen Organismen“, sagt Lanphier.

Die Gen-Chirurgen

Fasziniert durchwühlte Lanphier die Literatur. Und las, dass es gelungen war, an die Zinkfinger Teile anderer Eiweiße mit besonderen Fähigkeiten zu hängen – so genannte funktionelle Domänen. Das eröffnete die Möglichkeit, die chemische Aktivität eines Eiweißes an eine ganz bestimmte Stelle im Erbgut zu dirigieren. Nimmt man von einem Eiweiß, das die Aktivität von Genen stimulieren kann, jenen Teil, der dieses Aufputschmittel für Gene enthält, und fusioniert es mit einem Zinkfinger-Protein, dann wird der Aktivator nur dort wirken, wo der Zinkfinger seine Zielsequenz im Erbgut findet. Auf gleiche Weise lassen sich Gene abschalten, indem man dem Zinkfinger ein Stück Eiweiß mit drosselnder Funktion anhängt – oder zerschneiden, wenn der Zinkfinger mit einer Art molekularer Schere gekoppelt wird. Das ganze Arsenal molekularer Werkzeuge lässt sich so an jeden Punkt im Erbgut lotsen. Lanphier war Feuer und Flamme, denn diese Idee löste auch sein Patentproblem: „Wenn man die Zinkfinger so verändern kann, dass sie ein Gen in einer einzigartigen Art und Weise erkennen und dann verändern, dann hätte man eine neuartige, patentierbare Anwendung – unabhängig von den bisherigen Patenten auf dieses Gen.“

Auf diese Weise kommerziell abgesichert, testeten die Sangamo- Forscher ihre Technologie an den Blutzellen von immunschwachen SCID-Kindern. Sie hängten eine molekulare Schere an einen Zinkfinger, der sie zum SCID-auslösenden Gen führte. Genau an dieser Stelle zerschnitt die molekulare Schere die DNA, und das löste in der Zelle einen natürlichen Reparaturmechanismus aus. Dabei wurden die losen DNAEnden nicht nur wieder verbunden, sondern die DNABausteine vor und hinter dem Schnitt durch neue ersetzt – das defekte Gen war repariert.

Als Vorlage beim DNA-Flicken dient normalerweise die intakte Kopie des Gens, denn im Zellkern gibt es von jedem Gen eine väterliche und eine mütterliche Kopie. Bei SCIDPatienten sind jedoch beide Kopien defekt. Deshalb schleusten die Sangamo-Forscher außer den Genen für die Zinkfinger- Werkzeuge auch ein Stück DNA mit der korrekten Sequenz des SCID-Gens in die Zellen ein. Patente auf komplette Gene, wie sie Somatix behindert hatten, stehen dem nicht entgegen. In 18 Prozent der blutbildenden Zellen von SCID-Patienten konnten die Forscher so die Genmutation korrigieren. Und tatsächlich entwickelten sich daraufhin so viele intakte Immunzellen, dass SCID-Patienten einen ausreichenden Schutz vor Infektionen hätten – theoretisch, denn noch ist die Technik nicht an Patienten getestet worden, sondern nur an Zellkulturen aus dem Blut von SCID-Patienten.

Ob die neue Technik, bei der keine Gene mehr unkontrolliert ins Erbgut eingebaut werden, wirklich sicherer ist als konventionelle Gentherapien, muss sich also erst noch zeigen. Doch der Erfolg im Reagenzglas spornt die Forscher an weiterzumachen. Neben Erbkrankheiten wie Sichelzellanämie und ß-Thalassämie, die Blutzellen betreffen, wollen sie laut Lanphier auch Aids bekämpfen. Dabei sollen Zinkfinger ein Gen in den Blutzellen zerstören, das die HI-Viren für die Infektion der Abwehrzellen benötigen. Ohne dieses CCR5- Gen, dessen Proteinprodukt an der Zelloberfläche sitzt, kann sich HIV nicht an den Blutzellen festhalten, weshalb Menschen, denen ein intaktes CCR5-Gen fehlt, resistent gegen eine HIV-Infektion sind. Mit Sangamos Therapieansatz sollte zumindest ein Teil der Blutzellen von HIV-Infizierten resistent gegen den Virusbefall werden. Klinische Tests sollen noch in diesem Jahr beginnen, sagt Lanphier.

Ebenfalls noch 2006 will Sangamo mit den Herzkreislaufspezialisten der US-Pharmafirma Edwards LifeSciences die Ergebnisse der ersten klinischen Studien präsentieren, in denen die Zinkfinger-Technologie zur Behandlung von Gefäßerkrankungen eingesetzt wird. Doch in diesen frühen Tests geht es nur um Verträglichkeit und Dosisfindung – ob die elegante Technik tatsächlich keine nennenswerten Nebenwirkungen hat und robust genug für den klinischen Einsatz ist, zeigt sich frühestens in der zweiten Phase der klinischen Prüfung. Bis zur Zulassung des ersten Zinkfinger- Medikaments dürften mindestens noch vier Jahre vergehen.

Die Gen-Chirurgen

TURBO FÜR DIE MEDIKAMENTENPRODUKTION

In der Zwischenzeit hat Sangamo die Möglichkeit, die Kasse über Technologie-Dienstleistungen zu füllen. So will beispielsweise der Pharmakonzern Pfizer per Zinkfinger die Produktion von Medikamenten beschleunigen. „Firmen, die Antikörper oder andere Protein-Pharmazeutika produzieren, sind sehr an Technologien interessiert, die die Ausbeute und Geschwindigkeit der Protein-Produktion verbessern“, sagt Lanphier. Denn bisher ist es eine langwierige und mühsame Angelegenheit, Säugetierzellen gentechnisch so zu verändern, dass sie bestimmte Proteine produzieren, die dann als Medikamente eingesetzt werden können. Sangamos Zinkfinger-Proteine sollen die Gene stimulieren, die für die Herstellung der medikamententauglichen Eiweiße nötig sind, und so die Ausbeute erhöhen – quasi ein Turbolader für die Medikamentenproduktion.

Eine weitere Anwendung können die Zinkfinger in der Stammzellforschung finden. Denn die Technik macht es möglich, bestimmte Schlüsselgene zu regulieren, die die Entwicklung der Stammzellen in das gewünschte Gewebe anstoßen. „Wir haben das zum Beispiel für das Gen Oct-4 gezeigt“, sagt Sangamo-Forschungschef Philip Gregory, der bis 2000 an der Ludwig-Maximilians-Universität in München geforscht hatte, bevor er nach Kalifornien zog. Embryonale Stammzellen bleiben nur so lange im undifferenzierten Zustand, wie das Oct- 4-Gen normal aktiv ist. Wenn die Sangamo-Forscher das Gen jedoch über einen Zinkfinger mit eingebautem Genstopper stumm schalten, differenzieren die Zellen zu Gewebe, das für die Ernährung des Embryos nötig ist. Verstärkt man die Aktivität von Oct-4, verwandeln sich die Zellen in frühembryonale Gewebetypen. Und das, ohne dass irgendwelche Spuren der Manipulation in den Zellen zurückbleiben, denn die Zinkfinger verschwinden im Laufe der Zellteilungen.

„Wenn man weiß, was man regulieren will, dann können wir die Zelle in jede gewünschte Entwicklungsrichtung treiben“, sagt Gregory. Doch in Zeiten, in denen Biotechs ohne fertige Produkte von Investoren misstrauisch beäugt werden, konzentriert man sich auch bei Sangamo lieber auf anwendungsnahe Projekte. Was dem börsennotierten Unternehmen derzeit zu akademisch ist, verfolgt Albert Jeltsch von der International University Bremen.

Der Biochemiker bastelt selbst ganz ähnliche Werkzeuge. Er hängt an den DNA-bindenden Zinkfinger ein Enzym namens Methyltransferase, das kleine Anhängsel an die DNA klebt, so genannte Methylgruppen. Diese chemischen Anhängsel wirken auf die Gene wie ein Vorhängeschloss: Sie werden inaktiv, was zum Beispiel im Fall von viralen oder Krebsgenen wünschenswert wäre.

Tatsächlich gibt es bereits Versuche, Krebsgene über eine gesteigerte Methylierung abzuschalten. Aber dabei wird nur die natürlich vorkommende Methyltransferase in den Zellen stimuliert, was den Nachteil hat, dass nicht nur Krebsgene, sondern auch viele andere wichtige Gene stillgelegt werden. Mit der Sangamo-Technik ließe sich das Abschalten exakt steuern. Jeltsch hofft, auf diese Weise die Gene eines Virus stilllegen zu können, das beim Menschen Herpesbläschen verursacht. „Bei viralen Erkrankungen bieten die Zinkfinger-Proteine den Vorteil, dass sie nur in den Zellen eingreifen, in denen die Virusgene vorhanden sind“, sagt der Bremer Forscher. Erste Versuche, die Schlüsselgene für die Virusaktivierung abzuschalten, seien erfolgreich gewesen.

Allerdings kann Jeltsch noch nicht sagen, ob sein Werkzeug nicht auch an anderen Stellen der DNA unerwünschte Methylierungen setzt. Denn die Zinkfinger weisen dem Werkzeug zwar mit hoher Wahrscheinlichkeit den Weg zum richtigen Zielgen. Doch vereinzelte Irrtümer könnten ausreichen, das Erbgut an einer entscheidenden Stelle zum Negativen zu verändern. Eine unerwünschte Methylierung wäre da noch recht harmlos, aber was, wenn an dem Zinkfinger eine molekulare Schere hängt, die dann irgendwo im Erbgut herumschneidet?

Bevor man eine solche Technologie in der Therapie anwendet, müsse man da natürlich sicher sein, sagt Jeltsch: „Da haben wir das gleiche Problem wie die Kollegen in Kalifornien.“ Dort nimmt man die Sicherheitsbedenken durchaus ernst, doch bisher hätten Tests keinen Hinweis auf Fehlfunktionen der künstlichen Zinkfinger-Proteine ergeben, versichert Forschungschef Gregory. Zwar könnten die Fusionsproteine theoretisch auch ohne DNA-Bindung überall im Genom unkontrolliert aktiv werden, räumt er ein. Aber offenbar passiere das nicht. „Vielleicht, weil wir nichts machen, was die Natur nicht längst gelöst hätte“, sagt Gregory. Denn Kombinationen von DNA-Bindungsdomänen mit anderen funktionellen Domänen gibt es auch in natürlichen Proteinen.

Die Gen-Chirurgen

NEUE TECHNIK, ALTE PROBLEME

Doch auch wenn Sangamos Technik eine neue Ära einläuten mag, müssen sich die Sangamo-Forscher mit denselben Problemen herumschlagen, an denen ihre Zunft seit Anbeginn ihrer Existenz herumdoktert: Auch die maßgeschneiderten Zinkfinger müssen irgendwie in die Zellen hinein. Zwar sei es prinzipiell möglich, die Proteine direkt in die Zellen zu schleusen, sagt Gregory. Doch Sangamo geht auch hier einen eleganteren Weg: Die Forscher verabreichen den Zellen lediglich die Gene, mit deren Hilfe sie die Zinkfinger- Proteine selbst zusammenbauen können – in Form von DNA, die frei in der Zelle schwimmt. So wie die Zinkfinger-Proteine haben auch diese DNA-Stücke nur eine gewisse Überlebenszeit in der Zelle – gerade lang genug, um die gewünschte Veränderung im Erbgut der Zelle möglich zu machen, dann lösen sich die Gentech-Werkzeuge auf.

„Wir bekommen Zinkfinger also prinzipiell in die Zelle hinein“, sagt Gregory, doch die Frage sei, bei wie vielen Zellen das gelingt. „Reicht es für einen therapeutischen Effekt, wenn wir 10, 20 oder 30 Prozent der Zellen erreichen?“ Im Fall der Behandlung von SCID reichten die 18 Prozent veränderter Blutzellen, um eine Körperabwehr zu etablieren. Bei anderen Krankheiten könnte es jedoch nötig sein, mehr Zellen zu verändern, bevor ein therapeutischer Effekt eintritt.

Schärfster technologischer Konkurrent der Zinkfinger ist die so genannte RNA-Interferenz-Technologie (RNAi), die Gene mit Hilfe kleiner RNA-Fragmente abschalten kann, und zwar sehr effizient. Die Zinkfinger-Technologie beherrscht jedoch die ganze Palette von Stummschalten, Aktivieren und Reparieren. Aber mittlerweile kann jedes durchschnittliche molekularbiologische Labor RNA-Interferenz nachvollziehen und für die eigenen Experimente nutzen. Demgegenüber bedarf es eines reichen Erfahrungsschatzes, um den passenden Zinkfinger für eine gegebene Zielsequenz zu erstellen. „Die Konstruktion der Zinkfinger für eine bestimmte Zielsequenz ist keine Routine, sondern nach wie vor eine Kunst“, sagt Gregory. Zwar kennen die Forscher mittlerweile die Regeln, die bestimmen, aus welchen Proteinbausteinen ein Zinkfinger bestehen muss, damit er an bestimmten DNA-Bausteinen kleben bleiben kann. Doch es ist Erfahrung, wie sechs solcher Zinkfinger miteinander arrangiert werden müssen, damit sie die 18 DNA-Bausteine umfassende, einzigartige Zielsequenz im Erbgut erkennen.

"Wir verstehen immer noch nicht genau, was da vor sich geht“, räumt Gregory ein. Direkte Konkurrenz auf dem eigenen Fachgebiet jedenfalls hat Sangamo kaum zu befürchten, denn es gibt kein anderes Unternehmen, das die Zinkfinger-Technologie beherrscht. Kurz nachdem Lanphier mit Sangamo gestartet war, entschied sich zwar auch Nobelpreisträger Aaron Klug, sein Wissen über Zinkfinger in ein Unternehmen zu investieren. Doch 2001 fusionierte seine britische Gendaq mit Sangamo, denn gegen ein Patent, das Sangamo laut Lanphier weltweite Rechte an „jedem Zinkfinger für die Regulation jedes Gens in jedem Zelltyp eines jeden Organismus“ einräumt, sahen die Gendaq- Anteilseigner wenig Chancen.

Die Komplexität verhindert zwar, dass sich jedes Labor seine Zinkfinger selbst herstellt, der Produktion von Zinkfingern als Therapeutikum tut das jedoch keinen Abbruch. Denn im Vergleich zum Aufwand, den Pharmakonzerne bei der Suche nach neuen Wirkstoffen treiben, nimmt sich die Zinkfinger- Tüftelei harmlos aus, sagt Geschäftsführer Lanphier und lehnt sich zufrieden im schwarzen Sessel zurück. „Was es mit dem Logo von Sangamo auf sich hat?“ Lanphier folgt dem Blick auf die kupferne Schrift mit den wellenartig verzerrten Lettern. Der Name stamme von der Firma seines Großvaters aus dem Sangamon County in Illinois, die Strommessgeräte verkauft habe. „Die Wellen symbolisieren also elektrischen Strom“, sagt Lanphier und grinst: „Jedenfalls hat es nichts mit irgendwelchem San Francisco Surfing Stuff zu tun.“

Text entnommen aus TR 03/2006. Das Heft ist seit dem 23. Februar am Kiosk zu haben oder hier [1] portokostenfrei zu bestellen. (wst [2])

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