Genom-Editierung bezeichnet eine Reihe von Methoden, mit denen DNA gezielt modifiziert werden kann. Ähnlich wie beim Bearbeiten von Texten oder Filmen, geht es darum, präzise Mutationen in ausgewählten DNA-Bereichen zu erzeugen.
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„Revolutionäre DNA-Scheren: Genom-Editierung im Fokus!“
Die Verwendung von Scheren in Bildern zur Genom-Editierung soll auch die Präzision und gezielte Natur dieser Technologie betonen. Ähnlich wie Scheren, die sorgfältig verwendet werden, um genau an den gewünschten Stellen zu schneiden, ermöglicht die Genom-Editierung eine präzise Bearbeitung von DNA-Sequenzen, um bestimmte genetische Veränderungen vorzunehmen, ohne den Rest des Genoms zu beeinflussen. Die Scherenbilder veranschaulichen daher die kontrollierte und präzise Natur der Genom-Editierungstechniken.
„Die Macht des Schnitts: Symbolik der Scheren in der Genom-Editierung“
Restriktionsenzyme, auch bekannt als „Scheren“, sind Proteine, die in Prokaryoten vorkommen und spezifische DNA-Sequenzen erkennen und zerschneiden können. Obwohl sie bereits 1970 entdeckt wurden, dauerte es einige Jahre, bis Wissenschaftler sie effektiv zur gezielten Veränderung von DNA nutzen konnten.
Hier werden drei Verfahren vorgestellt, die oft im Kontext der Genom-Editierung genannt werden und die alle darauf basieren, Doppelstrangbrüche mit Hilfe von Molekularscheren zu erzeugen.
Im Jahr 1996 wurde ein bedeutender Fortschritt in der DNA-Forschung erzielt: Es war nun möglich, mithilfe von künstlich erzeugten Restriktionsenzymen, bekannt als 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 als „Schere“. Allerdings war der damit verbundene Aufwand noch enorm hoch. Es dauerte 1-2 Monate, um eine einzige Anwendung vorzubereiten, und die Kosten betrugen zwischen 1.000 und 25.000 US-Dollar.
Prinzipien der Genom-Editierung im Überblick
Im Jahr 2010 wurde das Verfahren durch die Entwicklung der TALEN-Technologie weiter verbessert. 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. Allerdings wurde erst mit der Entwicklung der CRISPR/Cas-Technologie im Jahr 2012 eine wahre Revolution eingeleitet. Dieses Verfahren ermöglichte es, die Kosten für Experimente auf weit unter 100 US-Dollar zu senken und den gesamten Prozess inklusive Planung und Vorbereitung in wenigen Tagen durchzuführen.
Grundsätzlich lassen sich ZFN, TALEN und CRISPR/Cas in drei gleiche Schritte gliedern: (1) Suche und Erkennung, (2) Präziser Schnitt und (3) Reparatur.
1. Suche und Erfolg
Um die Zielsequenz zu identifizieren, wird sie zunächst in einer umfangreichen Sammlung von DNA-Sequenzen gesucht. Dabei ist die spezifische Abfolge von Basen in der Zielsequenz ein entscheidendes Erkennungsmerkmal. Für die Erkennung werden speziell entwickelte Moleküle in Verbindung mit Restriktionsenzymen eingesetzt. Bei der ZFN-Technologie erfolgt die Erkennung durch die Zinkfingerdomäne, während bei CRISPR/Cas die Guide RNA als Erkennungsmolekül dient.
2. Die Kunst des DNA-Schneidens
Nachdem die Zielsequenz erreicht wurde, beginnt das Restriktionsenzym – eine Endonuklease – damit, die DNA an der vorher festgelegten Stelle akkurat zu zerschneiden.
3. DNA-Schäden beheben: Reparaturmechanismen im Fokus
Jetzt kommt es zu einer Veränderung der DNA. Zelleigene Reparatur-Enzyme bemühen sich, den Schaden an der DNA zu beheben, aber bei diesem Mechanismus kann es zu Fehlern kommen, was zu Punktmutationen führen kann, 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).
In der Literatur wird ein Zusammenschluss von Deletions- und Insertionsereignissen, die bei der Genom-Editierung vorkommen, häufig als Indel (aus den Anfangsbuchstaben von Insertion und Deletion) bezeichnet.
Pflanzenforschung und -zucht mit Genom-Editing: Innovationen und Chancen
Durch Genom-Editierung eröffnen sich für Pflanzenforscher und -züchter völlig neue Möglichkeiten. Indem sie spezifische Gene verändern, können sie die Funktionen dieser Gene erkennen und letztendlich Eigenschaften der Pflanzen beeinflussen.
Die Genom-Editierung ermöglicht es, effektiv gegen Krankheitserreger vorzugehen und die „genetischen Einfallstore“ zu schließen. Der Mehltau-Erreger kann so daran gehindert werden, in Weizenpflanzen einzudringen. Denn er benötigt ein spezielles Protein auf der Oberfläche seiner Wirtszellen: das MLO-Protein. Mit Hilfe der Genom-Editierung können wir das mlo-Gen bei Weizen ausschalten, sodass die Infektion nicht mehr erfolgreich sein kann.
Auch auf andere Pflanzenarten oder Interaktionen zwischen Wirt und Pathogen lässt sich dieser Ansatz übertragen.
Der Begriff Genome Editing umfasst neben den bereits vorgestellten Techniken auch weitere Verfahren, die nach einem etwas anderen Prinzip funktionieren. Hierzu gehören die Oligonukleotid-gerichtete Mutagenese (ODM) oder die RNA-abhängige DNA-Methylierung (RdDM), welche sich in ihren Funktionsweisen deutlich von den bereits vorgestellten Varianten unterscheiden.
