p53, oder wie wir beim CRISPRn fast den Wächter des Genoms vergessen hätten

Als im Jahr 1979 gleich sechs Forschergruppen unabhängig voneinander ein 53 kDa schweres Protein beschrieben, ahnte wohl noch keiner der Beteiligten, zu was für einem genetischen Superstar sich dieses Protein entwickeln wird. Auch wenn es zunächst ganz anders erschien, ist das Protein, welches nach seinem Molekulargewicht auf den unscheinbaren Namen p53 getauft wurde, der vielleicht wichtigste Ordnungshüter in unseren Zellen; allerdings nur, solange es einwandfrei funktioniert. Wenn p53 hingegen seine Funktionsfähigkeit verliert, wird’s gefährlich. Denn kein anderes Gen ist in so vielen Tumorzellen mutiert wie p53. Wie schafft es das normale p53 also, all unsere Körperzellen in Schach zu halten und was hat das alles mit CRISPR zu tun?

Die außergewöhnliche Geschichte der p53 Forschung

Es erscheint zunächst schwer einen Bogen zu spannen zwischen den späten Siebziger Jahren, in denen p53 entdeckt wurde und den beiden Artikeln der Nature publishing group von dieser Woche, bei denen ich am Ende landen will. In der Datenbank Pub Med Central sind mittlerweile über 180.000 Artikel zum Suchbegriff p53 gelistet; es gibt nicht einen einzigen Menschen mehr auf der Welt, der all dies überblicken kann. Sämtliche Modelle zur Funktionsweise von p53 sind daher notwendigerweise stark vereinfacht. Aber nun nochmal zurück zu den Anfängen und den ersten Beschreibungen dieses erstaunlichen Proteins.

Fünf der sechs Studien aus dem Jahre 1979 haben das p53 Protein als Bindungspartner eines anderen Proteins identifiziert, dem „großen T-Antigen“ (large T, oder kurz LT) des Simian-Virus 40 (kurz SV40). SV40 gehört zur Gruppe der Polyomaviren, die in tierischen Zellen Tumore auslösen können. Das LT Protein spielt dabei eine maßgebliche Rolle: es ist sowohl in der Lage, die Replikation der DNA einzuleiten, als auch natürliche Bremsen, die die Zellteilung unterdrücken, zu inaktivieren. Dabei schien LT in infizierten Zellen an ein körpereigenes Protein zu binden: p53. p53 wurde daher als Onkogen bekannt, also als ein Protein, welches (zusammen mit LT) an der Tumorentstehung beteiligt ist. Diese Idee bekam zusätzlich Rückenwind durch die Beobachtung, dass p53 in vielen Tumorzelllinien besonders aktiv ist. Da die damaligen Klonierungsprotokolle noch sehr ineffizient waren, klonierte man also p53 Varianten aus diesen Zelllinien, in denen die mRNA von p53 in hoher Kopienzahl vorlag. Wenn man diese p53 Gene nun in normale Zelllinien einbrachte, wurden viele von ihnen ebenfalls tumorartig. Diese Ergebnisse versprachen so viel Einblick in die Tumorentstehung, dass in den 1980ern eine immer größere Anzahl von Forschern begann, an p53 zu arbeiten. Aber dabei häuften sich langsam Diskrepanzen: einige Varianten von p53 schienen nicht in der Lage zu sein, normale Zellen zu Krebszellen zu transformieren.

Erst zehn Jahre nach seiner Entdeckung dann, so um 1990 erfolgte eine 180 Grad Umkehr, was die Sicht auf p53 anging. Denn die Varianten von p53, die man aus den Tumorzelllinien kloniert hatte, stellten sich großteils als mutante Formen von p53 heraus. Normales, wildtypisches p53 hingegen, hat nicht nur keine tumorfördernde Wirkung, sondern wirkt als Tumor Suppressor. Die tumorsupprimierende Wirkung hingegen wird inaktiv, wenn p53 mutiert ist oder an LT bindet.

p53 an der Schnittstelle von DNA-Reparatur, Zellzyklus und Zelltod

Um zu verstehen, wie p53 in normalen Zellen wirkt, muss man drei Konzepte verstehen, die im Folgenden kurz diskutiert werden: den Zellzyklus, den programmierten Zelltod (Apoptose) und DNA Reparaturmechanismen. In einem komplexen Organismus, wie beispielsweise uns Menschen, müssen Milliarden von Zellen in ihrer Funktion koordiniert werden. Der Zellzyklus spielt dabei eine wichtige Rolle, denn er reguliert, wann sich eine Zelle teilen darf und wann nicht. Normale Körperzellen sollen sich in aller Regel darauf beschränken ihre spezifischen Aufgaben zu erfüllen und sich nicht mehr teilen; sie befinden sich in der sogenannten G0-Phase und damit eigentlich außerhalb des Zellzyklus. In ihrem Genom, das diese unterschiedlichen Zellen ganz unterschiedlich nutzen, sammeln sich aber Mutationen an, die dazu führen können, dass Zellen aus der Reihe tanzen. Dabei können sie beispielsweise wieder in den Zellzyklus eintreten, sich also auf eine Zellteilung hinbewegen. Etliche Kontrollmechanismen aber reagieren auf bestimmte Warnsignale, insbesondere auf geschädigte DNA. p53 ist Teil dieser Kontrollinstanz: wenn DNA Schäden registriert werden, sorgt p53 dafür, dass sich diese Zelle unter keinen Umständen teilt. Nur wenn diese DNA Schäden repariert werden können, löst p53 diese Bremse und die Zelle hat erneut die Chance sich zu teilen. Sollten die DNA Schäden irreparabel sein, sorgt p53 dafür, dass die Zelle einen programmierten Zelltod (Apoptose) einleitet. Dann muss diese einzelne Zell zum Wohle des großen Ganzen, dem Funktionieren des gesamten Organismus, sterben.

Was hat p53 nun mit CRISPR zu tun?

Nun wird klar, warum in Krebszellen so oft eine mutierte, funktionsunfähige Version von p53 vorliegt. Die normale Variante würde es den Zellen nicht erlauben, sich so unkontrolliert zu teilen, wie es Tumorzellen eben leider tun. Diese Funktion hat dem p53 Protein den Beinamen „Wächter des Genoms“ beschert und dazu geführt, dass die berühmt Fachzeitschrift Science p53 bereits vor 25 Jahren zum Molecule of the Year gekürt hat. Aber auch seitdem wird es nicht ruhiger um p53, schon gar nicht, seitdem CRISPR die Biomedizin revolutioniert. Nicht nur, weil selbstverständlich angedacht wird, mutierte p53 Gene mittels CRISPR zu reparieren. Allgemein befinden uns momentan gerade in einer enorm „heißen“ Phase, was die Implementierung von CRISPR in die Behandlungsstrategie vielerlei genetischer Erkrankungen, nicht nur Krebs, angeht. Wöchentlich gibt es Neuigkeiten, die sich auf die wissenschaftliche, behördliche und auch öffentliche sowie wirtschaftliche Einschätzung von Risiken und Chancen des CRISPR-basierten Genomeditierens auswirken. Nachdem 2017 ein Artikel in Nature Methods vor so genannten off-target effects gewarnt hatte, hat Nature im März 2018 diesen Artikel wieder zurückgezogen; CRISPR erschien wieder sicherer und etliche klinische Studien scharrten in den Startlöchern. Dennoch hat Anfang Juni die FDA den Start einer PhaseI/II Studie ausgesetzt; es gelte erstmal noch mehr Risiken auszuschließen. Und dann erschienen diesen Montag (am 11.6.2018) zeitgleich zwei Artikel, die tatsächlich vor einem ganz anderen Risiko warnen, das mit off-target effects gar nichts zu tun hat, dafür aber mit p53.

Ansätze CRISPR zu verwenden um genetische Defekte zu heilen sehen in aller Regel so aus: man entnimmt dem Patienten körpereigene Zellen und kultiviert sie in Petrischalen. Dort transfiziert man sie mit Komponenten des CRISPR-Systems um eine gesunde Kopie des Gens einzubringen, welches im Patienten mutiert vorliegt. Da dieser Prozess aber bei Weitem nicht 100% effizient abläuft, muss man hinterher erst noch die Zellen herausisolieren, bei denen die Genomeditierung geklappt hat; man selektiert also auf Zellen mit „repariertem“ Genom. Zwei Forscherteams, eines von Novartis, eines vom Karolinska Institut in Stockholm, haben nun herausgefunden, dass bei dieser Selektion unabsichtlich auch auf Zellen selektiert wird, die über ein funktionseingeschränktes p53 Protein verfügen. Eigentlich ist das auch durchaus nachvollziehbar: normales p53 überwacht schließlich DNA-Schäden und greift ein, indem es entweder Zellteilung verhindert oder den programmierten Zelltod auslöst. Das CRISPR System arbeitet so, dass es zunächst das Genom an einer definierten Stelle schädigt. Das erkennt das gesunde p53 Protein und schickt diese Zellen in den Tod. Je ineffizienter das p53 Protein aber arbeitet, umso effizienter kann CRISPR am Genom herumfuhrwerken. Indem man auf die erfolgreich geCRISPRten Zellen selektiert, selektiert man also auch auf Zellen, die erhöhtes Potential zur Tumorbildung haben. Diese Zellen einem Patienten einzusetzen könnte also fatale Folgen haben. Prompt stürzten Anfang der Woche die Aktien der hinter den CRISPR-Studien stehenden Unternehmen wieder ab; sie sollten Berg- und Talfahrten mittlerweile aber gewohnt sein.

Diese jüngsten Ereignisse illustrieren anschaulich, dass Vorsicht geboten ist, bevor eine derartig neue Therapiemöglichkeit zugelassen wird. Denn oft sind es nicht unbedingt die naheliegenden Gefahren, wie beispielsweise die viel diskutierten off-target effects, sondern eben auch ganz andere Mechanismen, die Gefahren bergen können. Dennoch ist davon auszugehen, dass CRISPR-basierte Verfahren in baldiger Zukunft in unseren Kliniken implementiert werden; ihr Potential unzähligen Menschen ein längeres oder schmerzfreies Leben zu schenken, ist einfach zu hoch, um nicht weiter mit Hochdruck daran zu arbeiten, sie sicherer zu machen. Die Einsicht, dass wir kultivierte Zellen, zusätzlich zu ihrer korrekten Genomeditierung auch auf ihren p53 Status testen sollten, ist bereits ein erster Schritt in diese Richtung.