Ähnlich wie beim Bearbeiten von Texten oder Filmen, bezieht sich die Genom-Editierung auf eine Vielzahl von Techniken, die es ermöglichen, die DNA gezielt zu verändern. Hierbei werden spezifische Mutationen in ausgewählten Abschnitten der DNA erzeugt.
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„Das genetische Schneiden: Scheren der Zukunft für die Genom-Editierung!“
Die Verwendung von Scheren in Bildern zur Genom-Editierung ist eine metaphorische Darstellung, die auf die zugrundeliegende Technologie hinweist. Genom-Editierung ist ein Verfahren, bei dem spezielle Proteine, wie zum Beispiel CRISPR-Cas9, verwendet werden, um gezielt DNA-Sequenzen zu schneiden und zu verändern. Die Scheren in den Bildern symbolisieren diese Proteine, die wie molekulare Scheren funktionieren, um DNA-Stränge an bestimmten Stellen zu zerschneiden und so die gewünschten genetischen Veränderungen vorzunehmen.
„Das Schneiden des Lebens: Scheren der Genom-Editierung“
Die „Scheren“ beziehen sich auf eine spezielle Klasse von Proteinen, die als Restriktionsenzyme bekannt sind und hauptsächlich in Prokaryoten vorkommen. Bereits 1970 wurden diese Enzyme entdeckt, jedoch dauerte es einige Jahre, bis man ihre Verwendung zur gezielten Veränderung von DNA erforschte und anwendete.
Im Folgenden werden drei gängige Methoden im Zusammenhang mit der Genom-Editierung präsentiert, die alle die Erzeugung von Doppelstrangbrüchen mithilfe von Molekularscheren als Grundlage verwenden.
Im Jahr 1996 war es erstmals möglich, mithilfe von künstlich erzeugten Restriktionsenzymen namens Zink-Finger-Nukleasen (ZFN) DNA gezielt zu zerschneiden. ZFN bestehen aus einem Protein, das die zu zerschneidende DNA erkennt (die sogenannte Zinkfingerdomäne), und einem Restriktionsenzym, das als „Schere“ fungiert. Allerdings war der damit verbundene Aufwand zu dieser Zeit noch enorm. Für jede einzelne Anwendung waren 1-2 Monate Vorbereitungszeit erforderlich und die Kosten betrugen zwischen 1.000 und 25.000 US-Dollar.
Grundlegendes Prinzip der Genom-Editierung
Im Jahr 2010 wurde eine weitere Verbesserung des Verfahrens mit der Entwicklung der TALEN-Technologie erreicht. Ähnlich wie bei ZFN handelte es sich um künstliche Restriktionsenzyme, die als Transkriptionsaktivatorartige Effektor-Nukleasen bezeichnet werden und einfacher zu produzieren waren. Der Zeitaufwand für einen einzelnen Eingriff konnte auf unter eine Woche reduziert werden. Trotzdem war es erst mit der Entwicklung der CRISPR/Cas-Technologie im Jahr 2012 möglich, eine Revolution einzuleiten. Dieses Verfahren ermöglichte es, die Kosten für Experimente auf weit unter 100 US-Dollar zu senken und den gesamten Prozess einschließlich Planung und Vorbereitung in wenigen Tagen durchzuführen.
Alle drei Verfahren – ZFN, TALEN und CRISPR/Cas – folgen im Wesentlichen dem gleichen dreistufigen Prozess: (1) Identifikation und Lokalisierung, (2) Präzises Schneiden und (3) Reparatur.
1. Suchen und Entdecken
Um zunächst die Zielsequenz zu identifizieren, wird sie in einem umfangreichen Pool von DNA-Sequenzen gesucht. Ein entscheidendes Erkennungsmerkmal ist dabei die spezifische Abfolge von Basen in der Zielsequenz. Für die Erkennung kommen speziell entwickelte Moleküle in Verbindung mit Restriktionsenzymen zum Einsatz. Bei der ZFN-Technologie handelt es sich um die Zinkfingerdomäne, während bei CRISPR/Cas die sogenannte Guide RNA zum Einsatz kommt.
2. DNA schneiden: Eine Übersicht
Sobald die Zielsequenz erreicht ist, setzt das Restriktionsenzym – genauer gesagt eine Endonuklease – seine Arbeit fort und schneidet die DNA an der zuvor definierten Stelle präzise durch.
3. DNA-Reparatur: Methoden und Bedeutung
Die eigentliche Veränderung der DNA findet jetzt statt. Zelleigene Reparatur-Enzyme versuchen, den Schaden an der DNA zu beheben, aber da dieser Mechanismus fehleranfällig ist, kann es zu Punktmutationen kommen, die das Gen inaktivieren. Es können aber auch einzelne oder mehrere Basen gelöscht (Deletion) oder neue DNA-Bausteine (bis hin zu größeren DNA-Stücken mit synthetischen DNA-Fragmenten als „Reparaturvorlage“) hinzugefügt werden (Insertion).
Unter dem Begriff Indel (aus der Kombination der ersten Silben von Insertion und Deletion) werden Deletions- und Insertionsereignisse bei der Genom-Editierung in der Literatur häufig zusammengefasst.
Genom-Editing in Pflanzenforschung und -zucht: Anwendungsmöglichkeiten
Pflanzenforscher und -züchter nutzen nun die Genom-Editierung, um bestimmte Gene zu verändern und dadurch die Eigenschaften der Pflanzen zu beeinflussen. Durch das Erkennen der Funktionen der einzelnen Gene können sie maßgeschneiderte Lösungen für spezifische Probleme finden.
Dank der neuen Techniken der Genom-Editierung können wir gezielt die „genetischen Einfallstore“ für Krankheitserreger wie dem gefürchteten Mehltau-Erreger schließen. Dieser Pilz siedelt sich in Weizenpflanzen an und benötigt dazu ein bestimmtes Weizen-Protein auf der Oberfläche seiner Wirtszellen: das MLO-Protein. Mit Hilfe der Genom-Editierung können wir das mlo-Gen bei Weizen ausschalten, sodass es nicht mehr zu einer erfolgreichen Pilzinfektion kommen kann.
Dieser Ansatz kann auch auf andere Pflanzenarten oder andere Wechselwirkungen zwischen Wirt und Pathogen angewandt werden.
Neben den drei vorgestellten Technologien gibt es noch weitere Verfahren, die beim Genome Editing eine Rolle spielen. Dazu zählen zum Beispiel die Oligonukleotid-gerichtete Mutagenese (ODM) oder die RNA-abhängige DNA-Methylierung (RdDM). Diese Verfahren unterscheiden sich in ihrer Funktionsweise deutlich von den bereits vorgestellten.
