Synthetische Biologie in Säugetier-Zellen

von Lisa Krenkel

In Hinblick auf die Einführung genetischer Schaltkreise ergeben sich für die synthetische Biologie unzählige Einsatzmöglichkeiten [4]. 'Bioswitches' wie z.B. der zuvor beschreiben Flip-Flop-Schalter sind hier nur ein Beispiel. Die so entwickelten Schalter sind hierbei aus dem Grund interessant, weil sie modelliert werden können, um verschiedenste Signale wahrzunehmen [7]. Dies wiederum kann genutzt werden, um metabolische Gleichgewichte zu beeinflussen, wie man es direkt aus dem metabolischen Design her kennt. Zwar wurden bis jetzt eine Vielzahl an natürlichen Bioswitches entdeckt, jedoch werden zur Kontrolle von spezifischen Stoffwechselwegen in der Praxis noch deutlich mehr benötigt. Dies wiederum führt zur Entwicklung künstlicher Bioswitches welche dann auch auf natürlich nicht vorkommende Signale reagieren können. Diese Bioswitches, wenn auch vielfältig in ihrer Anwendung, bilden verständlicherweise nur einen kleinen Teil der synthetischen Biologie ab [5].

Je nach Ansatz können die Methoden der synthetischen Biologie unterschiedlich klassifiziert werden, Grundlage soll hierbei aber die Anwendung in Säugetierzellen sein. Sämtliche zur Verfügung stehenden Ansätze können hierbei der Abb. 1 entnommen werden.

Transkriptions-Kontrolle

Der zuvor bereits erwähnte Flip-Flop-Schalter kann in Hinblick auf die gegebene Klassifizierung als Methode der Transkriptions-Kontrolle angesehen werden [4]. Dies lässt sich daran festmachen, dass die verschiedenen Genprodukte des Schalters an definierte Bereiche der DNA binden und somit das 'Ablesen' der DNA (Transkription) verhindern. Dieser Grundgedanke ist allen Methoden der Transkriptions-Kontrolle gemeinsam, auch wenn sich die genauen Abläufe unterscheiden [5].

RNA-Kontrolle

Eine weitere Möglichkeit die Vorgänge innerhalb einer Säugetierzelle zu beeinflussen ist die RNA-Kontrolle. Hierbei wurde die DNA erfolgreich transkribiert, also 'abgelesen' und dabei eine Kopie in Form von RNA erzeugt. Diese RNA kann nun auf verschiedene Art und Weise manipuliert werden sodass sie entweder gar nicht erst in ein Protein 'übersetzt' bzw. translatiert werden kann oder nur bestimmte Proteine entstehen können. Dieser Ansatz wird gern in Verbindung mit der Transkriptions-Kontrolle angewendet, dadurch können Genprodukte fasst vollständig in ihrer Produktion unterbunden werden [5].

Regulation des Proteinumsatzes

Wurde das Zielprotein erst gebildet, kann dieses trotzdem weiter beeinflusst werden z.B. über die Regulation des Proteinumsatzes. Dieser beschreibt das Verhältnis zwischen Bildung und Abbau eines Proteins innerhalb der Zelle, wird einer der beiden Prozesse manipuliert so kann das Gleichgewicht verschoben werden. Dies erfolgt meist mit Hilfe des sogenannten Liganden-induzierten Proteinabbaus. Der Proteinabbau wird hierbei durch einen bestimmten Bindungspartner (Liganden) ausgelöst z.B. indem dieser an das Zielprotein bindet wodurch dieses von einem Abbau-Enzym erkannt wird [5].

Regulation der Signalübertragung

Noch um einiges vielfältiger sind die Methoden, mit denen in der synthetischen Biologie die Signalübertragung in und zwischen Zellen verändert werden kann. Meist geschieht dies durch die gezielte Manipulation der jeweiligen Rezeptoren, sodass diese z.B. Signale erkennen können, welche so in der Natur nicht vorkommen, was für die Medikamentenforschung relevant sein kann [5].

Editierung des Genoms

Eine letzte Methode der synthetischen Biologie zur Veränderung der Vorgänge in Säugetierzellen ist nun die Manipulation des genetischen Codes in diesen Zellen [5]. Dabei wird, wie am Namen erkennbar, die DNA des Organismus irreversibel verändert, was besonders in Hinblick auf CRISPR/Cas9 viel öffentliches Interesse geweckt hat [1].

Chimäre Antigen-Rezeptoren (CARs) – ein Beispiel für die Regulation der Signalübertragung

Als ein Beispiel für die vielfältige Anwendbarkeit der synthetischen Biologie in Säugetierzellen soll hier noch einmal auf die chimären Antigen-Rezeptoren (CARs) eingegangen werden [5]. Um deren Funktionsweise besser zu verstehen muss jedoch auch die des menschlichen Immunsystems verstanden werden.

Hierbei gibt es zwei verschiedene Arten der Immunantwort: die spezifische und die unspezifische [6]. Unter der unspezifischen Immunantwort versteht man die Abwehr von potenziellen Krankheitserregern durch Barrieren, wie z.B. Schleimhäute, aber auch durch antimikrobielle Enzyme. Diese Form der Immunantwort ist angeboren und benötigt im Gegensatz zur spezifischen Immunantwort keine 'Erfahrung' mit dem Krankheitserreger. Die Vorgehensweise, welche für die chimären Antigen-Rezeptoren eine Rolle spielt, gehört zur spezifischen Immunantwort. Bei dieser gibt es wieder zwei unterschiedliche Grundprinzipien, welche an die entsprechenden Zelltypen der B- und T-Lymphozyten (weiße Blutkörperchen) geknüpft und in Abb. 2 zu erkennen sind.

Die B-Lymphozyten produzieren Antikörper, lösliche Proteine, welche in das Blut abgegeben werden, um dort ihre Wirkung zu entfalten. Die T-Lymphozyten hingegen wirken direkt auf die entsprechenden Krankheitserreger ein weshalb dies auch als zellvermittelte Immunität bezeichnet wird. Diese Vorgehensweise macht man sich nun bei den chimären Antigen-Rezeptoren zu Nutze. Die Immunantwort der T-Lymphozyten hängt dabei von den Rezeptoren ab, welche sich auf ihrer Zelloberfläche befinden. Diese Rezeptoren können verschiedenen Antigene erkennen, welche sich auf den Oberflächen von Krankheitserregern befinden, sodass diese gezielt angegriffen werden können. Verändert man nun gezielt diese Antigen-Rezeptoren der T-Lymphozyten so kann man die damit verbundene Immunantwort auf zuvor festgelegte Zellen richten [5]. Bei dieser Herangehensweise werden die Zellen der Patienten entnommen und umgewandelt, um bestimmte chimäre Antigen-Rezeptoren auszubilden. Diese veränderten aber immer noch körpereigenen Zellen können dem Patienten wieder injiziert werden, um dort die gewünschten Zellen abzutöten. Diese Vorgehensweise wurde bereits erfolgreich angewendet, um Immuntherapien gegen Krebsarten durchzuführen, für welche zuvor keine effektiven Behandlungsmöglichkeiten existierten. Die so veränderten Antigen-Rezeptoren kann man sich vorstellen wie in Abb. 3 zu erkennen.

Sie bestehen grundlegend aus deinem regulären Rezeptor-Teil und einem transmembranen Abschnitt welcher den Rezeptor in der Zellmembran verankert. Dieser simple Grundaufbau kann jedoch noch erweitert werden, um z.B. nur zu reagieren, wenn neben dem ersten Erkennungsfaktor noch ein zweiter vorliegt.

Auch kann die Zelle so verändert werden, dass sie einen genetischen Schaltkreis gekoppelt an den Rezeptor enthält. Dieser Schaltkreis kann dann z.B. die Zellteilung beeinflussen oder die Aktivität der T-Lymphozyten. Die so durchgeführten klinischen Studien ergaben bereits gute Ergebnisse im Hinblick auf die Eliminierung von Krebszellen mit Hilfe der chimären Antigen-Rezeptoren auf T-Lymphozyten. Vorteil dieser Methode ist die Erkennung von Krebszellen an Hand spezifischer Marker, ohne dabei die gesunden Zellen anzugreifen. Dies ist in der Praxis jedoch leider nur teilweise der Fall, da trotz spezifischer Marker sogenannte 'off-target-Effekte' beobachtet werden konnten, also Fälle, in welchen die T-Lymphozyten auch Zellen erkannten, bei denen es sich nicht um Tumorzellen handelte. Diesbezüglich fokussiert sich die weitere Forschung darauf genauere chimäre Antigen-Rezeptoren zu entwickeln welche ein geringeres Risiko bergen gesunde Zellen zu eliminieren. Es ist außerdem noch nicht genau bekannt wie gut eine Immuntherapie mittels CARs im Hinblick auf feste Tumore wirkt. Eine Möglichkeit dieses Problem zu lösen sieht man momentan in der Verwendung von natürlichen Killerzellen an Stelle von T-Lymphozyten, auch bei diesen handelt es sich um weiße Blutkörperchen allerdings zählen sie funktionsweise weder zu den B- noch zu den T-Lymphozyten [2]. Es wird jedoch auch weiterhin an den ursprünglichen CARs-T-Zellen geforscht, vor allem die Entwicklung des CRISPR/Cas9-Systems hat hierbei weitere Möglichkeiten für die Behandlung von Krebs eröffnet [3].

Literatur

1. 1. Carrà S (2018) Stepping Stones to Synthetic Biology. Springer International Publishing, Cham.
   2. Hu Y, Tian Z-G, Zhang C (2018) Chimeric antigen receptor (CAR)-transduced natural killer cells in tumor immunotherapy. Acta pharmacologica Sinica 39: 167–176.
   3. Jung I-Y, Lee J (2018) Unleashing the Therapeutic Potential of CAR-T Cell Therapy Using Gene-Editing Technologies. Molecules and cells 41: 717–723.
   4. Kreuzer M, Petzold T (2013) Genetische Schaltkreise.  (06.08.2020).
   5. Lienert F, Lohmueller J J, Garg A, Silver P A (2014) Synthetic biology in mammalian cells: next generation research tools and therapeutics. Nat Rev Mol Cell Biol 15: 95–107.
   6. Rink L, Kruse A, Haase H (2018) Immunologie für Einsteiger, 2. neu bearbeitete und aktualisierte Auflage 2015, Softcover 2018. Springer Spektrum, Berlin.
   7. Zhao H, Zeng A-P (Hrsg.) Synthetic biology - metabolic engineering.