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Zur Identifizierbarkeit von Genomeditierungen in Pflanzen - ZKBS-Kommentar zu Y. Bertheau

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Im Frühjahr 2019 erschien der Beitrag „New Breeding Techniques: Detection and Identification of the Techniques and Derived Products” von Yves Bertheau im Buch “Encyclopedia of Food Chemistry” [1].

In seinem Beitrag stellt der Autor die These auf, dass eindeutig identifiziert werden kann, ob Mutationen in pflanzlichen Genomen von natürlichen Mutageneseprozessen herrühren oder ob sie durch Genome Editing erzeugt wurden. Es müssten nur entsprechende Verfahren dafür etabliert werden.

Bertheau stellt zunächst zutreffend fest, dass pflanzliche Genome prinzipiell sehr stabil seien und spontan auftretende Mutationen in somatischen Zellen nur sehr selten an die Nachfolgegeneration weitergegeben werden. Die Anwendung von Neuen Züchtungstechniken (NBT) wie CRISPR/Cas, TALEN, ZFN, ODM u. a., die als Genome Editing bezeichnet werden, und zielgerichtete Mutationen erzeugen, stresse die Zellen in einem außergewöhnlichen Maß, so dass die allgemeine Mutationsfrequenz deutlich steige. Bertheau behauptet, die entstehenden genetischen und epigenetischen Veränderungen ließen sich von natürlichen Mutationen unterscheiden und seien deshalb durch einfache, schnelle und kostengünstige Routine-Techniken zukünftig eindeutig nachzuweisen. Es sei auch möglich, einen Rückschluss auf die jeweilig zugrunde liegende NBT-Methode zu ziehen (Identifizierung). Der Autor schlägt die Kombination von verschiedenen qualitativen und quantitativen Methoden vor wie phänotypische Beschreibungen, Untersuchung von Genexpressionsmustern, verschiedene Sequenzierungsverfahren, Sequenzvergleiche u. ä.

Nach Ansicht der ZKBS führt Bertheau den Leser mit wissenschaftlich nicht fundierten Argumenten zu einem falschen Fazit.

Bertheau suggeriert, dass durch Charakterisierung des Organismus, insbesondere durch phänotypische Beschreibung und durch verschiedene Sequenzierungen unabsichtlich und spontan entstandene Mutationen von den gewünschten Mutationen unterscheidbar und auch die jeweils angewandte Neue Züchtungstechnik identifizierbar seien.

Dies wird nicht wissenschaftlich fundiert begründet und ist nach dem Stand von Wissenschaft und Technik nicht möglich.

Grundlage der These von Bertheau ist die Annahme, dass "natürliche" und durch die Neuen Züchtungstechniken erzeugte Mutationen verschieden seien. Das ist unzutreffend.

Den natürlich auftretenden spontanen Mutationen als auch den durch Genome Editing erzeugten Mutationen liegt der Mechanismus des natürlichen Reparatursystems der pflanzlichen Zelle für Doppelstrangbrüche zu Grunde, das sogenannte non-homologous end joining (NHEJ). Dieser Mechanismus wird nach einem Doppelstrangbruch der DNA aktiviert und schließt den Doppelstrangbruch wieder unter Verlust oder Einfügen von Basenpaaren ("Indels"; Insertions- oder Deletionsmutationen). NHEJ ist dabei vollkommen unabhängig vom Auslöser des Doppelstrangbruches. Anhand der entstandenen Mutation ist daher kein Rückschluss auf den Auslöser möglich.

Bertheau führt an, dass die Verwendung von den sequenzspezifischen Nukleasen rückverfolgbare Indels mit spezifischen Mustern, wie der Häufigkeit des Auftretens und spezifischen Größen, erzeugen würde. Da Indels aber immer aus dem NHEJ-Mechanismus resultieren, ist keine Aussage darüber möglich, wodurch der Doppelstrangbruch entstanden ist.

Bertheau argumentiert weiter, dass neben der Zielmutation durch den Stress der Neuen Züchtungstechniken epigenetische Veränderungen und weitere Mutationen, so genannte „Narben“, entstünden, die charakteristisch für die jeweils verwendete Neue Züchtungstechnik seien.

Epigenetische Veränderungen zeichnen sich durch eine geringe Stabilität aus und sind daher für Routine-Nachweisverfahren, insbesondere für Produkte mit Marktzulassung, ungeeignet. Weitere Mutationen, die nach der Anwendung der Neuen Züchtungstechniken neben der gewünschten Genomeditierung zusätzlich in der DNA zurück bleiben, werden in erster Linie durch in vitro-Verfahren per se ausgelöst, bekanntermaßen vor allem durch Einzelzellisolierung, in vitro Vermehrung der Zellen, Kallusbildung und Pflanzenregeneration. Es lässt sich aus diesen lange bekannten und längst in der Züchtung genutzten Änderungen („somaklonale Variation“) nicht schließen, dass sie durch Neue Züchtungstechniken entstanden sind. Denn sie entstehen ebenso im Verlauf von klassischen Mutagenesetechniken, Embryorescue-Verfahren, Gewebekultur oder auch ganz natürlich, ausgelöst durch abiotischen oder biotischen Stress.

Laut Bertheau befinden sich künstlich durch Nukleasen erzeugte Mutationen in der Nähe bestimmter Signatursequenzen, wie z. B. der PAM-Sequenz für CRISPR/Cas, weil alle ortsspezifischen DNasen neben ihrer Erkennungs-Sequenz auch noch eine Signatur benötigen, um an ihrem Zielort zu schneiden. Somit enthielten editierte Genome charakteristische Signaturen an den gewünschten Mutationsorten, die identifizierbar seien und einen eindeutigen Rückschluss auf die Neue Züchtungstechnik ermöglichten. Dies ist nicht zutreffend. Keine solchen Signaturen sind für TALEN, ZFN oder Meganukleasen beschrieben. Es gibt diese auch nicht bei ODM. Zudem ist mit der Weiterentwicklung der Forschung mittlerweile auch durch CRISPR/Cas eine Modifikation an nahezu jeder Stelle im Genom möglich, u.a. durch Variation der PAM-Sequenz.

Um festzustellen, ob bei einer bestimmten Pflanze nach Anwendung Neuer Züchtungstechniken mehr Mutationen vorliegen als natürlicherweise zu erwarten wären, würde letztendlich ein genau sequenziertes, geeignetes Referenzgenom zu dieser Pflanze/Sorte benötigt. Es wird aber kein einziges, geeignetes Referenzgenom geben, da die Pflanzengenome eine starke Variabilität aufweisen. Abhilfe könnten nach Bertheau die sogenannten „Pan-Genome“ schaffen, die die vorhandenen Variabilitäten in Pflanzengenomen in Datenbanken abbilden. Diese sind nach Auffassung der ZKBS aber auch unzureichend als Referenzgenom für die Identifizierung, da sie eine inhärente Fluktuation aufweisen und ständig aktualisiert werden müssen.

In der Sortenentwicklung werden obendrein viele Mutationen im Zuge der weiteren Züchtung wieder ausgekreuzt, wobei jede Kreuzung Varianten des anderen Elternteils einführt und zudem in jeder Generation neue spontane Mutationen entstehen können. Dadurch wird ein angeblich für das Genome Editing charakteristisches Mutationsmuster kaschiert.

Für die Überwachung von importierten genomeditierten Pflanzen besteht eine nicht bewältigbare Herausforderung darin, dass genomeditierte Pflanzen in vielen bedeutenden Agrarländern nicht als Gentechnik reguliert sind. Dementsprechend müssen keine Informationen über den Herstellungsprozess und über die eingeführten Mutationen bereitgestellt werden. Ohne dieses Wissen lässt sich aus einer nachgewiesenen Abweichung zum Referenzgenom keine hierfür verantwortliche Ursache, ob natürlich oder technisch, ableiten.
 

Fazit: Die von Bertheau suggerierte Möglichkeit, in Pflanzen eine Genomeditierung und die dabei verwendete Technik rückwirkend zu identifizieren, ist nicht gegeben. Die vorgeschlagenen Methoden basieren nicht auf dem aktuellen wissenschaftlichen Erkenntnisstand und beziehen zudem hochvariable biologische Parameter (wie epigenetische Veränderungen) mit ein, die keine zuverlässige Basis für eine Identifizierung darstellen.

Die ZKBS verweist abschließend auch auf den Bericht des Joint Research Centre (JRC) der Europäischen Kommission und des European Network of GMO Laboratories (ENGL), in dem der Schluss gezogen wird, dass die von Bertheau angeführten Hinweise auf eine Genomeditierung aus den Eigenschaften der Pflanzen nicht ausreichen, um auf die hierfür ursächliche Technik rückschließen zu können.

ZKBS


Bibliografie

[1] Bertheau, Y. (2019). New breeding techniques: detection and identification of the techniques and derived products. In: Laurence Melton, Fereidoon Shahidi, Peter Varelis, Encyclopedia of food chemistry (p. 320-336). AMSTERDAM, NLD : ELSEVIER SCIENCE BV., DOI: 10.1016/B978-0-08-100596-5.21834-9