Genome Editing - WGG – Wissenschaftlerkreis Grüne Gentechnik eV
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GenomeEditing Was? Molekularbiologische Methoden, mit denen das Erbgut gezielt umgeschrieben und verändertwerdenkann. Kurzbeschreibung MitdemVerfahrendesGenomeEditingistesmöglich,punktgenaueVeränderungen(Mutationen)imErbgutzuerzeugen.Genekönnenan-oderausgeschaltet,eingefügtoderentfernt werden.DieErbinformationwirdsopräzisebearbeitet,alswäresieeinTextineinem Schreibprogramm–BuchstabefürBuchstabe.DiesevielfältigenArtendergenetischenBearbeitungwerdenalsEditingzusammengefasst,alsRedigatur.DieMethodensindsehreffizientundäußerstvielversprechendfürdiePflanzenzüchtung. Technik ImKernhandeltessichbeidemVerfahrendesGenomeEditingumausgesprochenpräzise Schneidewerkzeuge.IhnengemeinsamisteingenialesPrinzip:SiefunktionierenwieferngesteuerteScherenfürsGenom.DasältestedieserInstrumente,diesogenannteZinkfingernuklease, wurde in den späten 1990er-Jahren entwickelt. Zehn Jahre später kamen die sogenanntenTALEN-Gen-Scherenhinzu.AnderSpitzedermethodischenEvolutionstehtgegenwärtigCRISPR/Cas,diejüngsteundameinfachstenanzuwendendeMethode. PrinzipiellverlaufendieVerfahreninzweiSchritten: (1) Durch Restriktionsenzyme (Enzyme, die DNA an bestimmten Positionen erkennen und schneidenkönnen)wirddieDNAangenaudefiniertenStellengeschnitten.DurchdasgezielteSchneidenderDNAwerdenhierBrücheinderDNAherbeigeführt. (2) Mit Hilfe natürlicher Reparaturmechanismen wie homologer und nicht-homologer RekombinationkönnennungezielteVeränderungendesErbgutsvorgenommenwerden.(Ho- mologe Rekombination: der Bruch wird repariert, indem ein Stück im Erbgut zunächst kopiertwirdunddannindieBruchstelleeingesetztwird.Nicht-homologeRekombination:die Bruchstellenwerdendirektmiteinanderverknüpft,ohnedassErbmaterialdazwischeneingesetztwird).DieseReparaturmechanismenkönnenfürdiegezielteVeränderungdesErbguts genutztwerden. BeidemVerfahrendesGenomeEditingswirdalsodernatürlicheReparationsmechanismus derhomologenRekombinationgenutzt,umbestimmteGeneindieBruchstelleeinzusetzen. Aberauchdernicht-homologeReparaturmechanismuskommtzumEinsatz(auchNonhomologousendjoinung–NHEJgenannt):HierbeiwerdendieDNA-Endendirektmiteinanderverbunden. Da diese End-zu-End-Verknüpfung natürlicherweise fehleranfällig ist, wird dieser Mechanismus benutzt, um kleine Veränderungen (Mutationen) zu erzeugen. Ziel ist dann nichtdasEinfügenneuerGeneindieBruchstelle,sondernebenMutationeninbereitsvorhandenenGenenderPflanze,sodassdiesefunktionsunfähigwerden. DerSchlüsselzumErfolgderGenomeEditing-TechnikistalsodieVerbindungvonperfekter OrientierungundscharferKlinge.AlledreiMethodensindinderLage,exaktdefinierteStellenimErbgutanzusteuernunddieDNAangenaudieserPositionvollständigzudurchtrennen. An diesen Positionen können Gene an- oder ausgeschaltet, eingefügt oder entfernt werden. Zinkfingernukleasen, die ältesten Werkzeuge des Genome Editing, verteilen die Arbeit auf zwei Bereiche. Der Zinkfingerteil lässt sich so zusammensetzen, dass er direkt an das gewünschteGenimErbgutbindet.DerzweiteBereich,dieNuklease,schneidetdanngenauan dieserStelle. Eine Transcription-Activator Like Effector-Nuclease (TALEN) arbeitet nach dem gleichen Arbeitsteilung-Prinzip. Allerdings ist der Teil, der die Schnittstelle im Erbgut erkennt, leichter nachWunschzugestaltenalsimZinkfinger. Ameinfachsten,schnellstenundkostengünstigstenlässtsichDNAmiteinerKombinationaus ClusteredRegulatoryInterspacedShortPalindromicRepeats-CRISPRundderSchere-Cas9 2 Wissenschaftlerkreis Grüne Gentechnik e.V. PF 12 01 27 60114 Frankfurt/ Main; http://www.wgg-ev.de verändern.DerUnterschied:DasSystemerkenntmithilfeeinerNukleinsäure,derguideRNA, woesimErbgutschneidensoll.DieseguideRNAlässtsichbeliebiggestalten. BeiZinkfingerNukleasenundTALENsindesProteine,diedieSequenzerkennen,andergeschnittenwerdensoll.FürjedeneueZielsequenzmusseinneuesProteinehergestelltwerden. Das ist vergleichsweise komplex. Nukleasen, wie die Guide RNA bei der CRISPR/Cas9Technologie sind dagegen sehr einfach und kostengünstig zu erzeugen, können allerdings nichtsoflexibelwieTALENjedebeliebigeSequenzansteuern.BleibtmanaufderZeitachse ihrerEntdeckung-alsoseitden1990erJahrenbisheute-undvergleichtdenStandmitdem derimjeweiligenZeitraumgängigenPC-Technologie,dannkannmansicheinBildvonderen jeweiligen Entwicklungsstand machen: Zinkfingernukleasen stehen für den sperrigen PC, TALENschonfürdenLaptopundCrispr/CasfürdasfederleichteTablet. Anwendung DiemöglichenAnwendungensindenormvielfältig.DurchdieEinführunggezielterMutationenlässtsichdieAusprägungvonGenen(Genexpression)oderdieGeneselbstdurchVeränderungderGensequenzverändern.DadurchkönnenGeneein-oderausgeschaltetoderdie EigenschaftenderausihnenresultierendenProteinenverändertwerden.Eslassensichaber auchDNA-SequenzenbiszuganzenGeneneinfügen,imUnterschiedzur„klassischen“GentechnikaberangezielterStelleundohnezusätzlicheFremdsequenzen. ErsteneueSorten,diemitGenomeEditingentwickeltwurden,sindbereitsaufdemMarkt. DasieerheblichschnellerundkostengünstigersindalsgentechnischeVerfahren,könnenes sichauchkleineUnternehmenundForschungseinrichtungenleisten,GenomeEditinginder praktischenPflanzenforschungeinzusetzen.Damitkanneswiederinteressantwerden,auch eherregionaleKulturartenundMerkmalebiotechnologischzubearbeiten,nichtnurdiegroßenglobalangebautenwieMais,SojaoderBaumwolle. WissenschaftlicheAnsprechpartner Prof.Dr.JensBoch,Hannover [email protected] Dr.FrankHartung,JKIBraunschweig [email protected] WeitereInformationen https://www.youtube.com/watch?v=2pp17E4E-O8 https://www.youtube.com/watch?v=7uQkQG3RfpE&feature=youtu.be http://www.daserste.de/information/wissen-kultur/w-wie-wissen/querbeet-166.html https://vimeo.com/112757040 http://www.transgen.de/forschung/1544.genome-editing.html http://www.pflanzenforschung.de/de/themen/lexikon/genome-editing-10133 http://www.laborwelt.de/spezialthemen/funktionsgenomik/mit-nukleasen-gene-modifizieren.html Wissenschaftlerkreis Grüne Gentechnik e.V. PF 12 01 27 60114 Frankfurt/ Main; http://www.wgg-ev.de 3
