Bei der Genom-Editierung handelt es sich um eine Sammlung von Techniken, mit denen es möglich ist, DNA gezielt zu verändern. Ähnlich wie beim Editieren von Texten oder Filmen, liegt der Fokus darauf, präzise Mutationen in spezifischen Abschnitten der DNA zu erzeugen.
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„Die Macht der Scheren: Genom-Editierung verändert die Welt!“
Scherenbilder in Zusammenhang mit Genom-Editierung können auch auf die revolutionäre Natur dieser Technologie hinweisen. Die Entdeckung und Anwendung von CRISPR-Cas9 und ähnlichen Proteinen zur Genom-Editierung hat die Art und Weise, wie Genetiker und Forscher genetische Veränderungen vornehmen, grundlegend verändert. Die Scherenbilder symbolisieren daher den Durchbruch und Fortschritt in der Genomforschung und betonen die Innovationskraft dieser neuen Technologie.
„Genetische Scheren der Hoffnung: Die Bedeutung von Scheren in der Genom-Editierung“
Die Bezeichnung „Scheren“ bezieht sich auf eine bestimmte Klasse von Proteinen, bekannt als Restriktionsenzyme, die in Prokaryoten vorkommen und dazu verwendet werden können, spezifische DNA-Sequenzen zu erkennen und zu zerschneiden. Obwohl diese Enzyme bereits 1970 entdeckt wurden, war es erst nach einigen Jahren möglich, sie erfolgreich zur gezielten Veränderung von DNA einzusetzen.
Im Weiteren werden drei Methoden dargelegt, die häufig im Zusammenhang mit der Bearbeitung von Genomen erwähnt werden und die alle die Erzeugung von Doppelstrangbrüchen mithilfe von Molekularscheren als gemeinsame Grundlage nutzen.
Im Jahr 1996 wurde ein bahnbrechender Fortschritt in der Genetik erzielt: Mithilfe von künstlich erzeugten Restriktionsenzymen namens Zink-Finger-Nukleasen (ZFN) war es erstmals möglich, DNA gezielt zu zerschneiden. ZFN bestehen aus einem Protein, das die zu zerschneidende DNA erkennt (die namensgebende 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 lagen zwischen 1.000 und 25.000 US-Dollar.
Grundlagen der Genom-Editierung einfach erklärt
Eine weitere Verbesserung des Verfahrens erfolgte im Jahr 2010 mit der Entwicklung der TALEN-Technologie. 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. Jedoch war es erst mit der Entwicklung der CRISPR/Cas-Technologie im Jahr 2012 möglich, eine wahre 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.
Im Prinzip verfolgen ZFN, TALEN und CRISPR/Cas dieselbe dreistufige Vorgehensweise: (1) Identifikation und Auffinden, (2) Exakter Schnitt und (3) Reparatur.
1. Finden und Gewinnen
Um die Zielsequenz zu identifizieren, wird sie zunächst in einem umfangreichen Pool von DNA-Sequenzen gesucht. Dabei ist die spezifische Abfolge von Basen in der Zielsequenz von entscheidender Bedeutung. Für die Erkennung kommen speziell entwickelte Moleküle in Verbindung mit Restriktionsenzymen zum Einsatz. Bei der ZFN-Technologie handelt es sich um die Zinkfingerdomäne als Erkennungsmolekül, während bei CRISPR/Cas die Guide RNA zur Identifizierung der Zielsequenz verwendet wird.
2. Genetische Scheren: DNA-Schnittmethoden
Sobald das Restriktionsenzym die Zielsequenz lokalisiert hat, startet es seine Arbeit als Endonuklease und schneidet die DNA an der vorab definierten Stelle mit höchster Präzision.
3. Wie die DNA repariert wird: Einblick in die molekularen Reparaturprozesse
Nun erfährt die DNA eine Veränderung. Zelleigene Reparatur-Enzyme bemühen sich, den Schaden an der DNA zu beheben, aber es können dabei Fehler entstehen, die zu Punktmutationen führen können, 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 wissenschaftlichen Literatur werden Deletions- und Insertionsereignisse, die bei der Genom-Editierung vorkommen, häufig als Indel (aus den ersten Silben von Insertion und Deletion) bezeichnet.
Genom-Editing in der Pflanzenforschung und -zucht: Neue Wege und Potenziale
Durch die modernen Techniken der Genom-Editierung können Pflanzenforscher und -züchter spezifische Gene verändern und dadurch die Eigenschaften der Pflanzen beeinflussen. Dank der Erkennung der Funktionen einzelner Gene können sie gezielt an bestimmten Problemen arbeiten.
Mithilfe der Genom-Editierung kann man gezielt die „genetischen Einfallstore“ für Krankheitserreger wie den 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. Um die Infektion zu verhindern, wird mit Hilfe der Genom-Editierung das mlo-Gen bei Weizen ausgeschaltet. Somit kann der Erreger nicht mehr in die Pflanzenzelle eindringen.
Auf andere Pflanzenarten bzw. die Wechselwirkungen zwischen Wirt und Pathogen ist dieser Ansatz anwendbar.
Nicht nur die drei zuvor vorgestellten Technologien, sondern auch andere Methoden können beim Genome Editing zur Anwendung kommen. Dazu zählen die Oligonukleotid-gerichtete Mutagenese (ODM) oder die RNA-abhängige DNA-Methylierung (RdDM). Diese unterscheiden sich deutlich in ihrem Funktionsprinzip von den bereits vorgestellten Verfahren.
