Gene drive: auf CRISPR/Cas9 basierende mutagene Kettenreaktion als ultima ratio zur
Bekmpfung von Malaria?Wolfgang Liebert, Jakob Wlcher
Institut fr Sicherheits- und Risikowissenschaften (ISR)Universitt fr Bodenkultur (BOKU) Wien
NTA7 Grand ChallengesBonn, 16.-18. Nov. 2016
1.MalariaHerausforderung
2.GeneDrives/MutageneKettenreaktion
3.ForschungspotentialundEntwicklungsrisiken
4.Risiken,FolgenundUnsicherheiten
5.Alternativen
6.WeiterefundamentaleFragenundProbleme
Fig.: Lifecycle of Plasmodium falciparum in the human body and the anopheline mosquito[N. White et al., The Lancet, Vol.383 (2014), 723-735]
Malaria-Zyklus (Erreger Mcke Mensch)
Malaria-Verbreitung
WHO-Schtzung fr 2015: 214 Mio. Infektionen, 438.000 Todesflle
Globale Herausforderung ! UN-Agenda fr Nachhaltige Entwicklung 2015
Ein Schwerpunkt der Malaria-Bekmpfung: Vektor-Kontrolle, d.h. Bekmpfung der Malaria bertragenden Mckenarten (Anopheles)
Ein neuer Weg: gen-technische Realisierung einer mutagenen Kettenreaktion/ eines Gene Drive(gezielte, rasche Beeinflussung von ganzen Mcken-Populationenunter Umgehung der Mendelschen Vererbungsregeln)
GVO mit Gene Drive Wild-Typ
Realisierung von Mutagenen Kettenreaktionen/Gene Drives
Zwei Hauptentwicklungspfade:
1) Reduktion/Elimination: Beeinflussung der Entwicklungsfhigkeit vonNachkommen mit dem Ziel einer dramatischen Reduktion oder Auslschungvon Malariabertragenden Arten regional oder global.
2) Modifikation/Manipulation: Beeinflussung der ParasitEntwicklung in derMcke oder der Infizierbarkeit weiblicher Mcken (Verringerung oderVermeidung der bertragbarkeit auf Menschen)
Prinzipielle Ermglichung insbes. durch neuartige Genschere CRISPR/Cas9(salopp: Transformation von heterozygot zu homozygot, misch- zu reinerbig)
Forschungspotential und Entwicklungsrisiken
LaborDemomutagener Kettenreaktion/GeneDrivesin4Organismen: FruchtfliegeDrosophilamelanogaster (Gantz/Bier2015) Hefe(DiCarlo etal.2015) MalariaMckeAnophelesstephensi (Gantz etal.2015) MalariaMckeAnophelesgambiae (Hammondetal.2016)
Bislang:Ke enreak onkommtnachwenigenGenera onenzumErliegen
Wissenschaftliche Zweifel an Realisierbarkeit in WildPopulationen:
NonHomologous EndJoining (NHEJ)nacheinemgezieltenDNSSchnittstehtinKonkurrenzzunotwendigemHomology Directed Repair (HDR),wasdenGeneDriveermglicht
EntwicklungvonResistenzengegendenGeneDrivesinderwartbar,geradeauchbeiPaarungmitWildTypen
IntrinsischeLimitsfrevolutionreStabilisierungvonGeneDrives StabilittdesGeneDriveKonstrukts(guideRNS,CargoGene,)
zahlreicheEntwicklungsrisiken
Forschungspotential und Entwicklungsrisiken
LaborDemomutagener Kettenreaktion/GeneDrivesin4Organismen: FruchtfliegeDrosophilamelanogaster (Gantz/Bier2015) Hefe(DiCarlo etal.2015) MalariaMckeAnophelesstephensi (Gantz etal.2015) MalariaMckeAnophelesgambiae (Hammondetal.2016)
Bislang:Ke enreak onkommtnachwenigenGenera onenzumErliegen
Wissenschaftliche Zweifel an Realisierbarkeit in WildPopulationen:
NonHomologous EndJoining (NHEJ)nacheinemgezieltenDNSSchnittstehtinKonkurrenzzunotwendigemHomology Directed Repair (HDR),wasdenGeneDriveermglicht
EntwicklungvonResistenzengegendenGeneDrivesinderwartbar,geradeauchbeiPaarungmitWildTypen
IntrinsischeLimitsfrevolutionreStabilisierungvonGeneDrives StabilittdesGeneDriveKonstrukts(guideRNS,CargoGene,)
zahlreicheEntwicklungsrisiken ABER:imagineitcouldwork..
Risiken, Folgen und Unsicherheiten I
Fragen/Absehbares hinsichtlich Gene Drives zur Reduktion/Elimination :
EineffizienterGeneDrivewrdeschlielichberallenationalenGrenzenhinwegwirksamwerden.Werentscheidetundreguliert?
Was,wennmanipulierteMckenGeneweitermutieren,wobeiunerwnschteVariantenentstehenknnten,diesichunkontrolliertreproduzierenundverbreiten?(EinmglicherAuslser:offtargetEffekte vonCRISPR/Cas9)
Esistmglich,dassnach(erfolgreichem)KampfgegeneinenInfektionsbertrger,wieAnophelesgambiae,derErregerPlasmodium(oderandereMalariaParasiten)einebislangnichtdominierendeMckenartals(neudominierenden)Wirtfindet.
mehrundmehrGeneDrivesmsstenlosgetretenwerden?!
Istesmglich,dassnach(erfolgreichem)KampfgegeneinenKnnteeinEliminationsProgrammaufandereArtenberspringen(durchKreuzpaarung oderandereFormenhorizontalenGentransfers)?
Was,wennunerwnschteFolgenfrkosystemeausgelstwerden?(EsgibtlehrreicheBeispiele,abererheblichesNichtWissendarber!)
Risiken, Folgen und Unsicherheiten II
. Gene Drives zur Reduktion/Elimination :
Fragen/Absehbares hinsichtlich Gene Drives zur Modifikation/Manipulation:
Ebenfalls:Was,wenn manipulierteMckenGeneweitermutieren,wobeiunerwnschteVariantenentstehenknnten,diesichunkontrolliertreproduzierenundverbreiten?(EinmglicherAuslser:offtargetEffekte vonCRISPR/Cas9)
Es ist wohlbekannt,dassParasiten (wiePlasmodium)sichraschundunvorhersehbarevolutivverndern knnen inWechselwirkungmitihrenWirten.EinEingriffkannunerwartete,auchnegative,Folgenzeitigen!ProvoziertdiesdanndennchstenVersucheinesGeneDrivesunddanachimmerweiterer?
Einiges ist prinzipiell absehbar,anderes unsicher oder unbekannt.
Risiken, Folgen und Unsicherheiten III
WeiterefundamentaleFragenundProbleme:
Jede Freisetzung eines durch Gene Drive modifizierten Organismus mitfalschen oder Schaden bringenden Eigenschaften kann irreversibleFolgen haben.Hier gibt es keine tolerierbare begrenzte Freisetzung!
Ein Dualuse Potential von Gene Drives erscheint offensichtlich.
Erhebliche Erhhung der Eindringstiefe und Reichweite menschlicherInterventionen in Naturprozesse durch mutagene Kettenreaktionen/Gene Drives ! Irreversible, unerwnschte Vernderungen mglich !
Risiken, Folgen und Unsicherheiten IV
Alternativen I
Ideenfr gentechnischeAlternativen zuGeneDriveswerdenschonlngerdiskutiertundbeforscht: InfektionvonMalariaMckendurchWolbachia Bakterien FreisetzungvongentechnischmodifiziertenMckeningroerZahl,dieeinendominantenLethalFaktoranihreNachkommenbertragen
Globales Programm zur MalariaElimination: UN2030AgendaforSustainableDevelopment TransformingourWorld WHOGlobalTechnicalStrategyforMalaria20162030:
vectorcontrol(LLIN,IRS,screening,education,) prevention (pregnantwomenandchildrenunder5inmanyAfrica,) betteraccess/useofdiagnostics andmedicaltreatment(ACT)
Erforderlich:minimalfunktionstchtigesGesundheitssystem,dauerhafterundleistbarerZugangzuDiagnostica undMedikamentenundEmpowering derlokalenBevlkerung,sodasseigenstndg Risikominimierungmglichist
Hoffnung auf Erfolg der UN-Strategie zur Malaria-Eliminierung (?)
MalariaBekmpfungistnichtschlichteinnaturwissenschaftlichtechnischesProblem,sondernsoziale,politischeundkonomischeFaktorensindvongroerBedeutung.
NichtnurderMalariaVektor(Mcken),sondernderZyklusdesMalariaParasitenmussangegangenwerden.
AlternativenII
ErfolgreicheKampagnenderVergangenheithattenauchschdlicheNebenfolgendurchmassivenEinsatzvonDDT
RolledessoziokulturellenundtechnischkonomischenWandels:rapiderAnstiegvonPlastikbehltnissenundAltreifenalsoptimaleMckenBrutsttten
SoziokonomischeEntstehungsBedingungennebennaturwissenschaftlichen
ResistenzbildungengegenInsektizideundMalariaMedikamentebeobachtet
Eszeigtsich:mehristzubercksichtigen
Weitere fundamentale Probleme und Fragen I
GibtesnichteineintrinsischeLogikvonGeneDriveszurBekmpfungderMalaria:eineKettenreaktionmutagener Kettenreaktionen,dieallesamtunterderBedingungmenschlichenIrrensund(prinzipiellen)NichtWissenstehen?
GeneDrivesgegenMalariaMckenknnenderTrffnerfrweitmehrsein: GeneDrivesgegenandereMcken,Insektenodersog.Schdlinge,dieinfektiseKrankheitenbertragen? GegenErnteSchdlinge,verschiedensteFruchtfliegen,HeuschreckenPlagen? Gegensog.invasiveTier oderPflanzenarten?
WasmitdemKampfgegenMalariabeginnt,knnteendenineinerNaturunterMenschenhand(Markl1996) mitToolszurwillentlichenSteuerungderEvolution.Aber:beienormemNichtWissenberdiekomplexen,nichtlinearenWechselwirkungenhinsichtlichGentransfer,lebendenZellenundOrganismen,Populationen,kosystemen,sensiblenglobalenLebenszusammenhngen.
Weitere fundamentale Probleme und Fragen II
GeneDrivessindtechnischerzeugteselfish genetic elements,dieautonominderNaturoperierensollen.TritthiereinneuerTypTechnologieaufdenPlan?JanSchmidtsprichtvonnachmodernerTechnologie,dieintrinsischeBegrenzungenhathinsichtlichVorhersagbarkeitundKontrollierbarkeit.
SchwerwiegendenormativenFragensindzuadressieren:
MenschenbildundStellungdesMenscheninderNatur DasganzeGeflechtderRisiken,Unsicherheiten,des(prinzipiellen)Nicht
Wissens,dermglichen(dramatischen)Folgenwerden(undmssen)massivenEinflussaufdenethischenDiskurshaben
VerantwortungimForschungs undTechnikgenerierungsprozess KlrungvonZielsetzungen(AusgewogenheitzwischenSchutzerfordernissen,
diskursivBestimmbarem,menschlichsozialenAnsprchen,.) utilitaristischeEinschtzungen/Gterabwgunggreifenvielzukurz
Weitere fundamentale Probleme und Fragen III
Wiekanndiesalles,wasmglicherweiseunbegrenztinRaumundZeitetabliertwird,reguliertwerden?(NurnationaleAutorittensindmglicherweisehandlungsfhig)
KannmanverharrenaufdemMantra:ersteinmalforschenundentwickeln,dannggf.Entscheiden/Regulieren?
sehrfrhzeitigeTAAnalyseinderForschungsphasedringendgeboten
Inputfrerforderlicheninner undauerwissenschaftlichenDiskursberZielrichtungenundnormativeOrientierungen
ultima ratio Frage??(welcheProzedurenzurMalariaEliminierungerscheinenalsvielversprechend,risikoarm,gesellschaftlichundethischakzeptabel?)
Analyse der wissenschaftlichtechnischen Entwicklung im Frhstadium zurEinschtzung r