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Genome Editing Methoden – ein Überblick


In den letzten Jahren haben neue molekularbiologische Verfahren an Bedeutung gewonnen, mit denen gezielt Mutationen erzeugt und Gene in die Organismen eingebracht werden können. Die neuen Techniken  haben ein hohes Potential in verschiedenen biowissenschaftlichen Disziplinen. Hier ein kurzer Überblick.

CRISPR/Cas-System

Das CRISPR/cas-System kommt von Natur aus in Bakterien vor. Es wirkt dort als „Immunsystem“, mit dem sich die Bakterien gegen Angriffe von Viren wehren. Im biotechnologischen Kontext ermöglicht es das CRISPR/cas-System, DNA gezielt zu schneiden und an dieser Stelle neue DNA-Bausteine einzufügen, zu entfernen oder zu modifizieren.

Um die Zielsequenz, aufzufinden, dient eine passende RNA, an die die eine CRISPR-assoziierte Endonuclease gekoppelt ist, die den eigentlichen Schnitt ausführt.

Werden keine neuen Gene oder größere DNA-Abschnitte in das Erbgut eingefügt, sind mit dem CRISPR/Cas-System erzeugte Organismen und deren Nachkommen in der Regel nicht von anderen natürlichen oder herkömmlich gezüchteten unterscheidbar.

Verglichen mit anderen Genome Editing-Verfahren ist CRSISPR/Cas ist präziser, einfacher und deutlich kostengünstiger.  Derzeit wird CRISPR/Cas vor allem in der Wissenschaft eingesetzt, um Erkenntnisse über die Funktionalität bestimmter Gene zu erhalten.

Factsheet CRISPR/Cas von unserem Mitglied WGG

VIDEO: Video der Max Planck-Gesellschaft zu Gen-editing mit CRISPR/Cas9

 


Oligonukleotid gerichtete Mutagenese (ODM)

Die Oligonukleotid gerichtete Mutagenese (ODM) wird verwendet, um gezielt Mutationen im Genom hervorzurufen. Dazu werden kurze synthetische DNA-Abschnitte (die Oligonukleotide) in die Zelle eingeführt. Dort lösen sie an einer bestimmten Stelle im Genom eine Mutation aus. Diese Mutation betrifft nur einzelne oder einige wenige Basenpaare und ist von spontanen „natürlichen“ Mutationen nicht unterscheidbar.

ODM wird in der Pflanzenzüchtung eingesetzt, etwa bei Raps, Mais, Weizen, Reis oder Banane. Im Focus stehen dabei beispielsweise Resistenzen gegen Schädlinge und Krankheiten, Herbizidtoleranz, Toleranz gegen abiotischen Stress oder veränderte Stärke- und Fettsäurezusammensetzung. In Nordamerika sind erste mit ODM gezüchtete Sorten sind in Nordamerika auf dem Markt.

Factsheet ODM von unserem Mitglied WGG


Transcription activator-like effector nuclease (TALEN)

TALEN sind künstlich hergestellte Enzyme, die DNA scheiden. Sie sind so konstruiert, dass sie eine ganz bestimmte Zielsequenz im Erbgut erkennen und dort den DNA-Strang schneiden. Dadurch können gezielt Gene entfernt (Knockout) oder mit Hilfe des zelleigenen Reparatursystems modifiziert werden.

Werden keine neuen Gene oder längeren DNA-Abschnitte in das Erbgut eingefügt, sind die mit TALEN modifizierten Organismen und deren Nachkommen in der Regel nicht von anderen natürlichen oder herkömmlich gezüchteten unterscheidbar. Ein verfahrensspezifischer Nachweis ist dann nicht möglich.

Bisher steht die Anwendung dieses Verfahrens in der Pflanzenzüchtung am Anfang. Wie ZFN wird vermutlich auch TALEN als Genome Editing-Verfahren in der Pflanzenzüchtung gegenüber CRISPR/Cas eine nachrangigere Rolle spielen.

Factsheet TALEN von unserem Mitglied WGG


Zinkfinger-Nukleasen (ZFN)

Molekularbiologische Methode mit künstlich hergestellten Enzymen, um DNA zielgerichtet zu schneiden und zu verändern. Dabei können kleine DNA-Abschnitte eingefügt, entfernt oder ausgeschaltet werden.

Zinkfinger-Nukleasen bestehen aus zwei Elementen: Das Zinkfinger-Protein kann eine spezifische DNA-Sequenz im Erbgut erkennen und dort andocken. Ein weitere Nuklease schneidet dann an dieser Stelle beide DNA-Stränge. Das zelleigene Reparatursystem fügt dann die Stränge wieder zusammen. Dabei treten Mutationen auf, die gezielt gelenkt werden können – und zwar:

  • ZNF-1: Ohne Beeinflussung des zelleigenen Reparatursystems entstehen beim Zusammenfügen Mutationen.
  • ZFN-2: Werden zusätzlich kurze DNA-Abschnitte eingeführt, die zu den Bruchkanten im DNA-Strang passen, so dienen diese als Muster für das Reparatursystem. Es entsteht also eine gezielte Mutationen.
  • ZFN-3: Es können auch längere rekombinante DNA-Abschnitte eingeführt werden, die dann bei der Reparatur der Schnittstelle in das Erbgut eingepasst werden.

Mit ZFN-1/ZFN-2 gezüchtete Pflanzen sind nicht von anderen natürlichen oder herkömmlich gezüchteten Pflanzen unterscheidbar. Werden mit Hilfe der ZFN-3-Technik neue Gene eingeführt, sind diese Pflanzen von anderen unterscheidbar.

Zinkfinger-Nukleasen werden beispielsweise bei der Züchtung von Raps, Soja, Mais, Tomate oder Tabak eingesetzt.

Factsheet ZFN von unserem Mitglied WGG