Erbgut editieren HS 2019

Gene Editing: Perspektiven bei Nutztieren

• Prof. Dr. Heiner Niemann
  Medizinische Hochschule Hannover
  18. September 2019

In den letzten 15 bis 20 Jahren haben rasante Fortschritte in der Molekulargenetik, die Genomsequenzierung und -annotierung, die Geburt des Schafes „Dolly“, dem ersten geklonten Säugetier, sowie die Generierung pluripotenter Stammzellen aus somatischen Körperzellen (sog. induzierte pluripotente Stammzellen) die Naturwissenschaften auf eine neue Grundlage gestellt. Dies betrifft immer intensiver auch die Tierzucht. Inzwischen sind die Genome wichtiger landwirtschaftlicher Nutztiere sequenziert und annotiert worden, sodass informative und weitgehend vollständige Genkarten für Rind, Pferd, Schwein, Schaf, Ziege, Huhn, Hund und Biene vorliegen, die die Grundlage für die Entwicklung neuer Züchtungskonzepte und gezielte genetische Modifikationen über den Einsatz von sogenannten molekularen Scheren bilden, die in den letzten Jahren entwickelt wurden. Solche molekularen Scheren sind Zinkfinger Nukleasen (ZFNs), TALEN (Transcription activator-like effector nuclease) und CRISPR/Cas (clustered regularly interspaced short palindromic repeats), mit denen präzise genetische Veränderungen verlässlich induziert werden können. Dies geschieht im Wesentlichen durch Steigerung der DNA Mutationsrate über Induktion von Doppelstrangbrüchen an vorbestimmten genomischen Stellen. Die Anwendung dieser molekularen Scheren wird auch Gen Editinggenannt. Im Vergleich zu konventionellen homologen Rekombinations-techniken können molekulare Scheren die Targeting Rate um bis zu 10.000fach erhöhen und die Ausschaltung eines Gens über mutagene DNA Reparaturmechanismen wird mit ähnlicher Frequenz stimuliert. Der erfolgreiche Einsatz der molekularen Scheren ist in unterschiedlichen Organismen, wie Insekten, Amphibien, Pflanzen und Säugern, einschließlich Nutztieren und Mensch, gezeigt worden. Die Genscheren können entweder über Transfektion in somatische Zellen eingebracht, die nachfolgend im somatischen Klonen eingesetzt werden oder in frühe Embryonen injiziert werden. Es können neue Genvarianten erzeugt, neue Gene hinzugefügt oder Gene ausgeschaltet (sogen. Knockout) werden.

Das CRISPR/Cas System kann sogar multiple Sequenzen in einem Ansatz mutieren und scheint in dieser Hinsicht ZFNs oder TALEN überlegen zu sein. Die zurzeit vorliegenden Resultate zeigen, dass die molekularen Scheren für jedes Gen in jedem Organismus erfolgreich eingesetzt werden können und damit wertvolle Hilfsmittel für Studien zum Verständnis komplexer biologischer Systeme, zur Produktion genetisch modifizierter Tiere sowohl für landwirtschaftliche als auch für biomedizinische Zielsetzungen, zur Erstellung spezifischer Zelllinien, für die Züchtung genetisch modifizierter Pflanzen, und sogar für die Behandlung humaner genetischer Erkrankungen sind. 

Durch Einsatz von DNA-Nukleasen können Effizienz und Präzision des Gentransfers gegenüber dem bisher üblichen Verfahren erheblich erhöht werden. Durch die Verwendung von DNA-Nukleasen ist auch die Erzeugung von Tieren mit selektiver Ausschaltung eines Gens (Knockout), das Einbringen neuer Polymorphismen (SNP) oder die Korrektur von bestimmten Erbfehlern beim Nutztier möglich geworden. Für den erfolgreichen Einsatz von DNA-Nukleasen müssen jedoch einige wichtige Voraussetzungen eingehalten werden. Besonders bedeutsam ist ein höchst möglicher Grad an Spezifität. Es muss sichergestellt sein, dass sogen. Off-target DNA Änderungen (d.h. Mutationen der DNA, die nicht die Ziel-DNA betreffen) ausgeschlossen sind. Diese können mit Hilfe von speziellen Algorithmen identifiziert und das Vorhandensein kann dann molekulargenetisch geprüft werden. Auch durch Whole Genome Sequencing (WGC) können Off-target Mutationen detektiert werden. Alle bisherigen Studien haben aber gezeigt, dass bei sachgerechter Anwendung das Risiko für eine Auftreten von Off-target Mutationen äußerst gering ist.

Die verschiedenen Nuklease Systeme haben bestimmte Vor- und Nachteile. Die Selektion einer DNA-Nuklease für einen spezifischen Zweck sollte deshalb in Abhängigkeit von der gewünschten Fragestellung erfolgen. Alle drei Systeme können in somatischen Zellen eingesetzt werden, was dann das somatische Klonen für die Produktion von Tieren mit den gewünschten genetischen Veränderungen erforderlich macht. Die DNA-Nukleasen können aber auch durch Injektion in Oozyten oder frühe Embryonen (Zygoten) eingebracht werden, die dann nach Übertragung auf Empfängertiere zu Nachkommen mit den gewünschten genetischen Veränderungen führen können. Ein Vorteil des Klonansatzes ist, dass auf zellulärer Ebene vorab die gewünschte genetische Modifikation identifiziert und die Zellen entsprechend selektiert werden können, sodass die Wahrscheinlichkeit, relativ zeitnah ein Tier mit der gewünschten genetischen Modifikation zu erstellen, deutlich höher ist als mit der Injektionsmethode. Hervorzuheben ist die Möglichkeit, mit einem Ansatz Tiere mit einem biallelischen Knockout zu erstellen. 

ZFNs, TALENs und CRISPR/Cas sind innerhalb von kurzer Zeit zu wertvollen Hilfsmitteln geworden, um genetische Modifikationen auch im komplexen Säugerorganismus zu induzieren und studieren zu können. Sie werden auch für die Nutztierzucht von großer Bedeutung sein, zum einen für die Produktion von Nutztieren mit neuen genetischen Eigenschaften für die Biomedizin, aber auch für die Induktion genetischer Polymorphismen (SNPs) mit züchterischer Bedeutung, oder zur Korrektur bestimmter Gendefekte. Die Verwendung von DNA-Nukleasen erfordert die Integration in die vorhandenen Zuchtsysteme, die auf dem genomischen Zuchtwert basieren. Erste Berechnungen zur Integration in vorhandene Zuchtsysteme liegen bereits vor und zeigen ein großes Potential für genetische Fortschritte, insbesondere bei multipler Verwendung des Gen-Editings. Die züchterischen Möglichkeiten können durch den Einsatz von Strategien, die auf dem Gene Drive Prinzip basieren, weiter gesteigert werden. Gene Drive(engl. für Genantrieb) bezeichnet Methoden zur beschleunigten Ausbreitung von Genen in Populationen. Während ein Gen, das nur einmal im Genom vorkommt, normalerweise an 50 % der Nachkommen weitergegeben wird, sind es beim Gene Drivebis zu 100 %. Gene Drive ist bereits ein wichtiges neues Hilfsmittel, um Insektenpopulationen, die bestimmte Krankheiten übertragen, zu minimieren oder sogar vollständig zu eliminieren. Kürzlich ist der erste erfolgreiche Einsatz von Gene Drive im Mausmodell gezeigt worden. 

In dem immer größer werdenden Kenntnisstand über das Nutztiergenom und der Verwendung des Gen-Editings liegen große Chancen für die Entwicklung einer diversifizierten und zielgenauen Tierproduktion (sogen. Precision Breeding). In der landwirtschaftlichen Tierzucht werden die Zucht von Rindern für eine spezifizierte Milchproduktion, entweder in Bezug auf die Menge und/oder für spezifische Inhaltsstoffe (Proteine, Milchzucker, Fett, Vitamine), und beim Schwein die Fleischproduktion mit einer diversifizierten Produktpalette möglich. Ferner werden die effektive Zucht hornloser Rinder, die Beeinflussung des Geschlechts (Sexing), die Zucht von Tieren, die spezifische, diätetisch wertvolle Produkte liefern können oder die Produktion von Tieren für die Landschaftspflege mit Hilfe der neuen Züchtungsmethoden möglich. In der biomedizinischen Tierzucht können Tiere für die Produktion von Arzneimitteln (Pharming) erzeugt und transgene Schweine für die Organspende (Xenotransplantation) gezüchtet werden. Auch die Entwicklung von genetisch veränderten Tieren, insbesondere Schweinen, als Krankheitsmodell für den Menschen bietet vielversprechende Perspektiven für neue Erkenntnisse und Therapien humaner Krankheiten. Die neuen genomischen Kenntnisse und Gen-Editing Verfahren können also wesentlich zur Entwicklung einer effizienten, diversifizierten, zielgenauen und damit nachhaltigen Tierproduktion beitragen. 

Bern Center for Precision Medicine: Die ersten Schritten in die Zukunft

• Prof. Dr. Mark Rubin, Universität Bern
  Bern Center for Precision Medicine (BCPM)
  25. September 2019

Neue Technologien wie die Sequenzierung von Genen und Proteinen erlauben es, Krankheiten genauer zu verstehen – bis hin zur Funktionsweisen von einzelnen Molekülen. Die Zusammenhänge sind komplex, aber dank neuer Computertechnologien versteht man sie immer besser. So können individuelle Behandlungen entwickelt werden, beispielsweise wirksame Immuntherapien gegen Krebs. Genau hier liegt das Thema der Präzisionsmedizin (auch «Personalisierte Medizin»): Entwicklung neuer Therapien, Fokussierung von bereits bestehenden Therapien. Ziel: Heilungen ermöglichen und Nebenwirkungen vermeiden. 

Die Präzisionsmedizin hat ein grosses wirtschaftliches Potential. Entsprechend wird international darin investiert. Auch die Berner Wirtschaft kann von einem starken Gesundheitsstandort profitieren, gleichzeitig müssen die Ressourcen von Universität und Inselspital gebündelt werden. Das ist der Grund, warum das Bern Center for Precision Medicine (BCPM) gegründet wurde. 

• Dr. Philipp Aerni, Direktor
  Zentrum für Unternehmensverantwortung und Nachhaltigkeit (CCRS) an der Universität Zürich
  2. Oktober.2019

Die Anwendung des Vorsorgeprinzips in der Agrarbiotechnologie in Europa sollte gemäss EU auf den Grundprinzipen des Risikomanagements aufbauen. Die Politisierung des Vorsorgeprinzips hat aber dazu geführt, dass das Prinzip der Verhältnismässigkeit, die Berücksichtigung des Risikos des Nicht-Handelns und die Einbezugnahme der wissenschaftlichen Evidenz nicht mehr zur Anwendung kommen. Stattdessen ruht sich die Politik auf der bequemen Position aus, dass erst bei einer Null-Risikogarantie eine Lockerung des Moratoriums in Erwägung gezogen wird. Politiker präsentieren Ihre Forderung in einer Rhetorik der Moral, aber geht es nicht vielmehr um die Bewirtschaftung von diffusen Ängsten in der Bevölkerung zwecks Wiederwahl? Die Präsentation erforscht die moralpsychologischen Aspekte der gegenwärtigen Gentechdiskussion und stellt die Frage, ob in Anbetracht des Potentials von neuen, weniger invasiven gene-editing Techniken nicht ein Umdenken in der Regulierung stattfinden sollte. Dabei könnte ein Übergang von der gegenwärtigen Prozessregulierung hin zu einer Produktregulierung (Fall-zu-Fall-Beurteilung) unter sachgemässer Berücksichtigung des Vorsorgeprinzips gerade auch in Hinsicht auf die Erreichung der UNO Nachhaltigkeitsziele zukunftsweisend sein. 

Klinische Anwendung und Dilemmata

• Prof. Dr. Anita Rauch
  Medizinische Genetik, Universität Zürich
  9. Oktober 2010

Bioinformatik und neue Sequenziertechnologien

• Dr. Rémy Bruggmann
  Interfaculty Bioinformatics Unit, Universität Bern
  16. Oktober 2019

Hochdurchsatz-Sequenzierungstechnologien (Instrumente der zweiten und dritten Generation, d.h. Illumina, Ion-Torrent, Pacific Biosciences SMRT und Oxford Nanopore) revolutionieren die Art und Weise, wie Genome, Transkriptome und Epigenome untersucht werden. Der erste Teil der Vorlesung beschäftigt sich mit dem Beginn der Sequenzierung/Bioinformatik und dem Humangenomprojekt, welches einer der wichtigsten Treiber für das Wachstum und die Bedeutung der Disziplin Bioinformatik war. Das Projekt konnte nur mit neuen Algorithmen, Tools und Techniken, die von der Forschungsgemeinschaft der Bioinformatiker entwickelt wurden, erfolgreich abgeschlossen werden. Der zweite Teil der Vorlesung geht auf Tatsache ein, dass die Bioinformatik im Weiteren einen erheblichen Einfluss auf zahlreiche andere lebenswissenschaftliche Forschungsgebiete wie Biologie, Biochemie, klinische Forschung und Diagnostik in Kliniken hat und - zusammen mit NGS - auch den Grundstein für das Editieren von Erbgut in Forschung und Medizin legt. Abschliessend diskutiere ich die aktuellen und zukünftigen Herausforderungen und Grenzen der Bioinformatik und NGSTechnologien.

Erbkrankheiten der Haut: Therapieperspektiven und Herausforderungen

• Prof. Dr. Leena Bruckner-Tuderman
  Klinik für Dermatologie, Universitätsklinikum Freiburg, Freiburg i. Br.
  23. Oktober 2019

Die Haut ist das grösste Organ des menschlichen Körpers; ihre mehr als 400 Erbkrankheiten haben vielschichtige Manifestationsformen und Folgen, die bei einer Therapie berücksichtigt werden sollten. Im Vortrag werden als Grundlage die Struktur und Funktionen der Haut dargestellt, dann die verschiedenen Erbkrankheiten der Haut als Seltene Erkrankungen diskutiert. Die Seltenen Erkrankungen sind Fokus der Gesundheitspolitik der Europäischen Union und es existieren internationale Netzwerke für die Diagnostik, Krankheitsmanagement und Therapie solcher Erkrankungen. Eine präzise Diagnose ist ein essentieller Ausgangspunkt für sowohl heilende als auch Symptom-lindernde therapeutische Massnahmen.  Aktuelle Strategien zur Therapieentwicklung und deren Perspektiven werden dargestellt.

Genetische Modifikation von Pflanzen: Realität und Wahrnehmung

• PD Dr. Jörg Romeis
  Agroscope; Institut für Pflanzenwissenschaft, Universität Bern
  6. November 2019

Gentechnisch veränderte (GV) Pflanzen werden seit 1996 kommerziell angebaut. Die Anbauflächen sind seither ständig gestiegen. Im Jahr 2018 wuchsen GV Sorten auf mehr als 13% der weltweiten Ackerfläche. Zum Einsatz kommen vor allem Sorten, die tolerant gegen einzelne Unkrautbekämpfungsmittel oder resistent gegen bestimmte Insektenschädlinge (Bt Pflanzen) sind. Es gibt allerdings auch Sorten mit Resistenzen gegen Pflanzenkrankheiten, mit veränderter Produktqualität oder mit erhöhter Toleranz gegen Trockenheit. Während in Nord- und Südamerika, Südafrika, Australien und Asien GV Sorten in Baumwolle, Mais und Soja mehr als 80% der Anbaufläche ausmachen finden sich in Europe nur geringe Flächen mit GV Pflanzen. Einzig in Spanien und Portugal ist Bt Mais im Anbau welcher vor Stängelbohrern geschützt ist. In der Schweiz gibt es seit 2005 ein Moratorium für den Anbau von GV Pflanzen. Im Vortrag wird kurz erklärt, wie sich die Pflanzenzüchtung mit gentechnischen Verfahren von der konventionellen Züchtung unterscheidet und es wird auf die Risikodiskussion rund um GV Pflanzen eingegangen. Thematisiert wird wie sich Bt Pflanzen und Pflanzen die gegen Unkrautbekämpfungsmittel tolerant sind auf Erträge, Einsatz von Pflanzenschutzmitteln und Biodiversität auswirken. Die heute vorliegenden Erkenntnisse zeigen, dass von der grünen Gentechnik per se keine besondere Gefahr ausgeht. Betrachtet werden muss daher jede Pflanze mit ihrer zugefügten Eigenschaft von Fall zu Fall um zu prüfen, ob sie zu einer besseren Effizienz und/oder erhöhten Nachhaltigkeit in dem jeweiligen Anbausystem einen Beitrag leisten kann. Wie andere Technologien auch sind GV Pflanzen keine alleinigen Problemlöser, sondern müssen im Rahmen einer guten landwirtschaftlichen Praxis eingesetzt werden.

Linux of Drugs

• Rüdiger Trojok
  Unternehmertum, Center for Innovation and Business Creation an der Technischen Universität München
  13. November 2019

Governing gene editing: Ethical challenges and future directions

• Prof. Dr. Effy Vayena
  Gesundheitswissenschaften und Technologie, ETHZ
  20. November 2019

Genome editing technologies have excited our expectations about new ways to combat diseases, and our imagination about our ability to alter our genomes. At the same time, they have fueled long held fears about whether we should ever attempt such changes even if we are able to do it. The most concern has stemmed from the possibility to edit the human germ line. This fundamental question has received various responses by scientists, scholars and the public more broadly. While many consider human germline editing morally impermissible, others go as far as to argue it as a moral imperative. In this lecture I present the key ethical issues that have justifiably been discussed in the literature and the ensuing public discourse. Given the complexity of the issues and the difficulty in reaching global consensus, I then turn on what are the possible models of governing  genome editing. The ultimate goal of a governance model is to  ensure that scientific progress in genome editing translates into improving the human condition.

Sollen wir besseren Nachwuchs zeugen? Genome Editing in ethischer Perspektive

• Prof. Dr. Markus Zimmermann
  Universität Freiburg; Vizepräsident, Nationale Ethikkommission im Bereich der Humanmedizin
  27. November 2019

Sollten wir die Zukunftschancen unserer Kinder auch dadurch verbessern, dass wir neue technische Möglichkeiten dafür in Anspruch nehmen, allen voran die genetische Veränderung der Keimbahn? – Diese Frage bildet den roten Faden der Vorlesung: es geht um die Einschätzung des Human Enhancements am Beispiel des Genome Editing. Im Anschluss an eine kurze Einführung ins Thema und die Formulierung der zentralen ethischen Frage (Woran können wir uns im Han­deln noch orientieren, wenn das, was uns bislang mehr oder weniger Orientierung zu geben vermochte, Schritt für Schritt selbst zum Objekt der Veränderung wird?) werde ich in drei Schritten – vom Abstrakten zum Konkreten – erstens unter dem Titel «Autopoiesis als Leitbild?» erkunden, was sich durch Anwendung der neuen Techniken im Hinblick auf das Menschenbild und die Ethik gegenwärtig grundsätzlich verändert. Zweitens gehe ich auf die ethischen Argumente ein, die gegenwärtig im internationalen Diskurs zum Humane Genome Editing diskutiert werden. Schliesslich thematisiere ich in einem dritten Teil das Prinzip der «procreative beneficience» und damit die Idee der genetischen Verbesserung der Nachkommen, bevor ich die im Titel gestellte Frage – zumindest hinsichtlich des Einbezugs des Genome Editing – in einem kurzen Fazit negativ beantworte.

Personalisierte Gesundheit im digitalen Zeitalter

• Prof. Dr. Marcel Salathé
  Digital Epidemiology Lab, EPFL
  4. Dezember 2019

Wir leben im digitalen Zeitalter. Fast alle unsere persönlichen Daten sind - oder werden - digitalisiert. Diese Daten können dann durch maschinelles Lernen von Algorithmen genutzt werden, um bei der medizinischen Diagnose und Entscheidungsfindung zu helfen. Dies ist insgesamt eine sehr vielversprechende Entwicklung, aber die Versprechungen dieser Technologie gehen momentan in einer medialen Kakophonie aus “Big Data" und “Künstlicher Intelligenz” unter. In diesem Vortrag werde ich die Grundlagen der Technologie erläutern, und zeigen, wie sie in Gesundheitssystemen eingesetzt werden kann. Eine Diskussion über die ethischen Herausforderungen wird natürlich nicht fehlen.

Eugenics in disguise? Human genome editing and disability

• Prof. Dr. Jackie Leach Scully
  Policy, Ethics & Liefe Sciences, University of New South Wales
  11. Dezember 2019

Genome editing is perhaps the most exciting, and yet ethically challenging, scientific developments of the past decade. One of the key justifications for the possible future use of genome editing in human beings is that it will enable us to reduce, or even eradicate, inherited forms of disability. “The disabled” are therefore an important group of stakeholders; yet their perspectives have tended to be overlooked, or oversimplified, in the ethical debate about human genome editing. While some disabled people welcome the idea of a future without genetic disability, others have claimed genome editing is simply eugenics in disguise.
In July 2018 the Nuffield Council on Bioethics (the UK’s national bioethics committee) published its report on human genome editing.  As one of the authors of that report, in this presentation I will give an overview of the considerations about disability that informed the work of the Council. Is human genome editing eugenic – or something more nuanced and complex? 

Plant disease resistance: How to avoid being a good host

• Prof. Dr. Jonathan Jones
  The Sainsbury Laboratory, Norwich
  18. Dezember 2019

Plants have evolved a robust innate immune system that recognizes pathogen molecules and then activates defense. Immunity involves both cell surface transmembrane receptor proteins and intracellular NLR immune receptors, often encoded by Resistance (R) genes. NLRs are modular proteins with an N-terminal signaling domain, a nucleotide-binding domain and C-terminal LRRs.  NLRs either directly or indirectly recognize pathogen effector molecules. Plants show extensive within- and between-species diversity in their NLR-encoding repertoires, which we investigate using sequence capture; polymorphism in NLR repertoires is important for their efficacy. We apply these methods to recruit and deploy multiple genes for resistance to potato late blight caused by Phytophthora infestans.  Pathogens carry a battery of effectors to suppress immunity; we have used sequence capture to investigate diversity in effector repertoires and reveal new recognized effectors. Our long-term goal is to define the genetic basis of "non-host" resistance to blight in wild relatives of potato such Solanum americanum, and use these genes to confer unbreakable blight resistance to potato.
Some resistances require two NLR proteins. One (the sensor) detects effector action, while the other (helper) NLR transduces the signal. Arabidopsis RPS4 and RRS1 genes, encoding NLR proteins, confer recognition of AvrRps4 or PopP2 bacterial effectors. RRS1 carries a C- terminal WRKY transcription factor domain targeted by AvrRps4 and PopP2, suggesting these effectors target other WRKY proteins. Plants carry enormous diversity in their repertoires of integrated domains within NLRs, revealing the range of host proteins targeted by effectors.