Stummschalten von Genen: Die RNA-Interferenz

3. Oktober 2010 von Sebastian Reusch in RNA-Biologie

Die Chalkon-Sythase ist an der Pigmentierung von Petunien beteiligt und war 1990 der Ansatzpunkt für einige Forscher, der zur Entdeckung der RNA-Interferenz (RNAi) führte. Wissenschaftler rund um C. Napoli versuchten durch Einbringen eines Gens in Petunien, dessen Blütenfarbe zu verstärken. Überraschenderweise verstärkte sich diese nicht, sondern die nachkommenden Pflanzengenerationen waren vielfarbig oder gar weiß. Ein überraschendes Ergebniss, das mit dem Abwehrmechanismus der Pflanze zu erklären ist: Diese schaltete nicht nur das fremde eingebrachte Gen ab, sondern ebenfalls die pflanzeneigenen Gene, die mit der Pigmentsynthese zu tun hatten. Ein paar Jahre später 1998 wurde dieses Phänomen auch im Modellorganismus C. elegans - ein Fadenwurm - beobachtet. Heute weiss man, dass dieser Mechanismus des Gen-Ausschaltens ein alter Selbstverteiduigungsmechanismus ist, um Infektionen durch RNA-Viren oder Transposons abzuwehren und ebenfalls in Säugern vorkommt.

Man versprach sich durch die Entdeckung dieses Mechanismus großes: Das Abschalten von "krankmachenden" Genen. Was aus dieser Erwartung geworden ist und was der aktuelle Stand der Forschung ist, möchte ich hier erklären.

In einer ersten klinische Studie zu diesem Thema präsentierte Mark Davis erste Ergebnisse aus seiner 15-Personen große Studiengruppe, in der kleine RNA-Moleküle (kurz: siRNAs) namens CALAA-01 mithilfe von Nanopartikeln ein Protein namens Transferrin anvisierten und zerstören sollten, da es sich in Tumorzellen anreicherte. Die Ergebnisse zeigten zwar, dass die Behandlung ansprach, aber gut ein drittel der Patienten erlitt Nebenwirkungen und es war außerdem unersichtlich, wieviele mit der siRNA beladene Nanopartikel die Tumorzellen überhaupt erreichten. Wie aussagekräftig diese Studie also wirklich ist, bleibt abzuwarten.

Das Prinzip ist aber einfach: Medikamente, die auf RNAi beruhen, unterbrechen den Fluß von genetischen Informationen über die RNA-Form, wodurch die Expression von Genen abgeschaltet wird. Die DNA wird nämlich zuerst in ein Transkript namens mRNA übersetzt, welches wiederum abgelesen wird, wodurch das fertige Protein ensteht. Der genetische Fluß sieht also folgendermaßen aus: Doppelsträngige DNA wird abgelesen --> Es entsteht die einzelsträngige mRNA --> Diese wird von Ribosomen abgelesen und sorgen für die Entstehung der Proteine. Da die mRNA also immer ein Zwischenprodukt in der Proteinsythese ist, ist sie ein guter Ansatz zur spezifischen Abschaltung von Genen. Weiss man welche Struktur das gewünschte Gen hat und wo es exprimiert wird, kann man ein Medikament entwickeln, dass sich an die mRNA anlagert und so das weitere Übersetzen in Proteine verhindert. Geeignete Moleküle dafür sind siRNAs. Es existiert aber leider ein gewaltiges Problem: Wie erreicht man, dass diese Moleküle spezifisch die gewünschten Zellen erreichen und die mRNA dort zerstört?

Abb. 1: Einsatz von Antisense-DNA (auch siRNAs, rot) gegen mRNA (blau) verhindert die Translation und somit die Proteinsynthese.

Die ersten RNAi-Medikamente beschäftigten sich nicht mit diesem Thema und wurden nur lokal im ungefähren Gewebe injiziert. Dies führte jedoch zu Problemen, da die Moleküle nicht ungehindert zu den Zielzellen diffundieren konnten und außerdem degradiert, sprich abgebaut, wurden. Daher macht man sich jetzt nach und nach immer mehr Gedanken um passende "Transportsysteme", die das Medikament zu den Zielzellen bringen können und ein Abbau verhindern. Es handelt sich dabei um Polymere und Lipide, die in Kombination mit einer chemischen Modifikation der siRNAs (um einen frühzeitigen Abbau zu verhindern) diskutiert werden. Andere Probleme bestehen allerdings auch darin, dass man eine große Menge an siRNAs braucht und diese auch unerwünschte Effekte im Körper auslösen können, indem das Immunsystem stimuliert wird.

Frühe Untersuchungen ergaben, dass siRNAs von der Leber absorbiert werden, wodurch allerdings nur Krankheiten, die mit der Leber assoziiert werden, effektiv behandelt werden können. Die Pharmafirma Alnylam entwickelte in diesem Zusammenhang siRNAs mit dem Namen ALN-VSP02, welche spezifisch bei Leber-assoziierten Krebsarten ansprechen sollten. Diese siRNAs sollen in diesem Sinne den Wachstumsfaktor VEGF-A zerstören, doch die erste klinische Phase verlief suboptimal, da zwei Leute starben und eine Person schwere Nebenwirkungen zeigte, die wohl mit dem Medikament assoziiert waren.

Die Firma Marina Biotech steht kurz vor der klinischen Phase. Es geht dabei um ein Medikament, das gegen das Leberzellkarzinom eingesetzt werden soll und die siRNA durch Einkapselung in Liposomen zum Ziel gelangt, wodurch angeblich Nebenwirkungen auszuschließen sind. Andere RNAi-Systeme, wie z.B. tkRNAi benutzen bakterielle Vektoren, die mit den siRNAs ausgestattet sind. Atu027 ist ein Medikament der Firma Silence Therapeutics, das gegen kolorektale Karzinome wirken soll und sich ebenfalls in der ersten klinischen Phase befindet. Das dabei angewandte Transportsystem "AtuPlex" stabilisiert die eingesetzte RNA und eliminiert so deren Nebenwirkungen. Generell kann man aber sagen, dass das Transportsystem mit dem die siRNAs zu den "bösen" Zellen gebracht werden, von der Art der Krankheit abhängt und dem Gewebe, in der sie sich befindet.

Eine polnische Studie mit 46 Patienten befasste sich mit Gehirntumoren und deren Behandlung mit siRNAs, die das Protein Tenascin C angreifen, welches in diesen Tumoren überexprimiert wurde. 83% der Leute, die mit diesen siRNAs behandelt wurden, zeigten eine Besserung des Krankheitszustands. Die Firma Sirnaomics entwickelt siRNA-Medikamente, die bei Brustkrebs und bei Gliomen helfen sollen, wobei nicht nur ein Gen, sondern gleich mehrere ausgeschaltet werden sollen. Erste Ergebnisse sind bald zu erwarten.

Wie man sieht, befinden sich erste Medikamente in klinischen Phasen und es bleibt abzuwarten, wie erfolgsversprechend die Ausschaltung von Genen mittels RNA-Interferenz wirklich ist. Ein Ziel sollte es sein, als allererstes geeignete Transportsysteme zu etablieren, die die benötigte Menge an siRNAs zu den Zielzellen bringen und mögliche Nebenwirkungen verhindern. Ist dieses Zeil erreicht, steht meiner Meinung nach der RNAi als Methode zur Krebsbekämpfung nichts mehr im Wege. Da klinische Phasen und Studien aber lange dauern und zuerst all diese Probleme noch gelöst werden müssen, dürfte es noch gut ein paar Jahre, wenn nicht Jahrzehnte dauern, bis man dem Ziel des effektiven Gen-Ausschaltens näher gekommen ist.  

 


 

Literatur und Quellen:

1. Genetik, Graw, Springer-Verlag, 5. Auflage

2. RNA Interference Advances to Early-Stage Clinical Trials (Vicki Brower)

3. Introduction of a Chimeric Chalcone Synthase Gene into Petunia Results in Reversible Co-Suppression of Homologous Genes in trans (C. Napoli, C. Lemieux, and R. Jorgensen)

4. Potent and specific genetic interference by double-stranded RNA in Caenorhabditis elegans (Fire A., Xu S., Montgomery M.K., Kostas S.A., Driver S.E., Mello C.C.)

 

Weiterführende Literatur und sehr interessante Reviews zum Thema gibt es hier:

1. RNAi and small interfering RNAs in human disease therapeutic applications

2. RNA interference: a chemist’s perspective

3. RNAi in Stem Cells: Current Status and Future Perspectives

4. In vivo RNAi: Today and Tomorrow

5. RNAi nanomedicines: challenges and opportunities within the immune system

 

Bild-Quelle:

Abb. 1  Antisense DNA oligonucleotide von Wikipedia


2 Kommentare zu “Stummschalten von Genen: Die RNA-Interferenz”

  1. Joe Dramiga Antworten | Permalink

    RNAi und onkolytische Viren

    Wenn ich die Studien richtig verstanden habe, müsste man den Tumorpatienten
    mehrmals RNAi spritzen.

    Gibt es onkolytische Viren, die sich als RNAi-Vektoren eignen? Diese Onkospezifität ist ja zum Teil spontan bei Wildtyp-Viren vorhanden, so zum Beispiel bei einigen Paroviren, Paramyxoviren, Rhabdoviren oder Reoviren.

    Ich denke bei den onkolytischen Viren an die Gruppe der "replication competent viruses"die sich vornehmlich in Krebszellen vermehren.

    Die meisten onkolytischen Viren in klinischen Studien sind »engineered«, das heißt gezielt gentechnisch verändert. Eine Methode ist, Liganden von Viren so zu verändern, dass diese nur noch an tumorspezifische Rezeptoren (wie EGFR oder Integrin) binden und somit ausschließlich in Krebszellen eindringen können. Eine weitere Methode ist, Kontrollelemente von Viren auszutauschen, so dass wichtige Gene für die Replikation nur noch in Tumorzellen aktiv sind. Wenn zum Beispiel der virale Promoter durch einen tumorspezifischen ersetzt wird, kann sich das modifizierte Virus nur in Krebszellen vermehren.

  2. Sebastian Antworten | Permalink

    @Joe
    Man muss einfach gewährleisten, dass genug siRNAs in den Zielzellen ankommen. Wie man das jetzt genau macht (häufigeres Spritzen, genauerer Transportmechanismus, etc.), ist eigentlich egal. Ich denke aber mal, dass die Ärzte und Mediziner der Studien sich eine höheres Ansprechen des Medikaments durch häufigere siRNA-Gabe erhofft haben. Was ja u.a. der Fall war, was aber eben auch zu heftigeren Nebenwirkungen führen kann.

    Sicher gibt es onkogene Viren, die sich als RNAi-Vektoren eignen. Hatte da letztens so eine Tabelle, aber finde sie gerade auf die Schnelle nicht wieder. Das Problem dabei ist aber, dass sie sich nicht spezifisch ins Genom integrieren, man deswegen also zusätzlich immer noch einen Carrier (z.B. Liposom) brauch, der die Zielzelle genau ansteuert. Schliesslich kam es ja in einigen klinischen Studien vor, dass mit onkogenen Viren behandelte Patienten zusätzlich neuen Krebs entwickelten.

    Ah ja, habe gerade den zweiten Teil deines Kommentars gelesen, du zählst es ja quasi perfekt auf ;-)
    Über diese "engineered" Viren, habe ich jetzt nichts gelesen, aber gut zu wissen, dass es sowas gibt. Frage mich dann allerdings auch, wieso solche Viren nicht für die klinischen Phasen verwendet wurden. Es muss also immer noch etwas dagegen sprechen. Wahrscheinlich wollte man das Risiko, durch diese Viren (die ja meistens Retroviren sind) erneut zu erkranken, einfach vermeiden.

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