Die Genom-Editierung umfasst verschiedene Methoden, mit denen die DNA gezielt bearbeitet werden kann. Ähnlich wie beim Editieren von Texten oder Filmen, geht es darum, gezielte Mutationen in ausgewählten DNA-Abschnitten zu erzeugen und so gezielte Veränderungen im genetischen Material vorzunehmen.
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„Von Scheren und Genen: Die Zukunft der Genom-Editierung enthüllt!“
Scheren in Bildern zur Genom-Editierung können auch als eine Art Warnung oder Vorsichtsmaßnahme interpretiert werden. Obwohl die Genom-Editierung als vielversprechendes Werkzeug zur Behandlung von genetischen Erkrankungen und zur Verbesserung von Pflanzen- und Tierzucht betrachtet wird, gibt es auch ethische und moralische Bedenken bezüglich der potenziellen Risiken und Folgen von Genomveränderungen. Die Scherenbilder können darauf hinweisen, dass die Verwendung von Genom-Editierungstechniken mit Vorsicht und Bedacht erfolgen sollte, ähnlich wie der vorsichtige Umgang mit Scheren, um unerwünschte Folgen zu vermeiden.
„Präzise Kontrolle über das Leben: Die metaphorische Kraft der Scheren in der Genom-Editierung“
Restriktionsenzyme, auch als „Scheren“ bezeichnet, sind Proteine, die hauptsächlich in Prokaryoten vorkommen und in der Lage sind, bestimmte DNA-Sequenzen zu erkennen und zu zerschneiden. Obwohl sie bereits 1970 entdeckt wurden, benötigte es einige Jahre, um ihre Anwendung zur gezielten Veränderung von DNA zu erforschen und zu optimieren.
In diesem Abschnitt werden drei Verfahren beschrieben, die besonders häufig im Zusammenhang mit der Genom-Editierung erwähnt werden und die alle darauf abzielen, Doppelstrangbrüche durch den Einsatz von Molekularscheren zu erzeugen.
Im Jahr 1996 gab es einen Meilenstein in der DNA-Forschung: Zum ersten Mal war es möglich, mithilfe von künstlich erzeugten Restriktionsenzymen, den sogenannten Zink-Finger-Nukleasen (ZFN), DNA gezielt zu zerschneiden. ZFN bestehen aus einem Protein mit einer Zinkfingerdomäne, die die zu zerschneidende DNA erkennt, und einem Restriktionsenzym als „Schere“. Allerdings war der Aufwand dafür noch enorm. Für eine einzige Anwendung waren 1-2 Monate Vorbereitungszeit erforderlich und die Kosten beliefen sich auf 1.000-25.000 US-Dollar.
Zusammenfassung des Grundprinzips der Genom-Editierung
Im Jahr 2010 wurde das Verfahren weiter verbessert, als die TALEN-Technologie entwickelt wurde. 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 war es erst mit der Entwicklung der CRISPR/Cas-Technologie im Jahr 2012 möglich, eine Revolution einzuleiten. 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.
Alle drei Verfahren – ZFN, TALEN und CRISPR/Cas – lassen sich grundsätzlich in drei identische Schritte einteilen: (1) Suche und Erkennung, (2) Präzises Schneiden und (3) Reparatur.
1. Auf der Suche nach dem Richtigen
Die Identifizierung der Zielsequenz erfolgt zunächst durch die Suche in einer umfangreichen Sammlung von DNA-Sequenzen. Dabei spielt die spezifische Abfolge von Basen in der Zielsequenz eine entscheidende Rolle. Zur Erkennung werden speziell entwickelte Moleküle in Verbindung mit Restriktionsenzymen eingesetzt. Bei der ZFN-Technologie erfolgt die Erkennung mittels der Zinkfingerdomäne, während bei CRISPR/Cas die Guide RNA als spezifisches Erkennungsmolekül dient.
2. Molekulares Zerschneiden: Einblick in die DNA-Manipulation
Nachdem das Restriktionsenzym die Zielsequenz identifiziert hat, nimmt es seine Rolle als Endonuklease ein und führt einen exakten Schnitt der DNA an der zuvor festgelegten Position durch.
3. Zelle in Aktion: DNA reparieren und Integrität bewahren
Die Veränderung der DNA findet jetzt statt. Zelluläre Reparatur-Enzyme versuchen, den Schaden an der DNA zu beheben, aber es können Fehler auftreten, 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 Fachliteratur wird ein Zusammenfassen von Deletions- und Insertionsereignissen bei der Genom-Editierung häufig als Indel (aus den Anfangsbuchstaben von Insertion und Deletion) bezeichnet.
Einsatz von Genom-Editing in der Pflanzenforschung und -zucht: Aktuelle Entwicklungen
Pflanzenforscher und -züchter nutzen die Genom-Editierung, um die Funktionen einzelner Gene zu erkennen und dadurch die Eigenschaften der Pflanzen zu beeinflussen. Sie können durch die gezielte Veränderung bestimmter Gene spezifische Lösungen für Probleme erarbeiten.
Die Genom-Editierung erleichtert es uns, gegen Krankheitserreger vorzugehen und ihnen den Einfall zu erschweren. Der Mehltau-Erreger ist ein solcher Erreger, der sich in Weizenpflanzen ansiedelt und dazu ein Protein auf der Oberfläche seiner Wirtszellen benötigt: das MLO-Protein. Mit Hilfe der Genom-Editierung kann man das mlo-Gen bei Weizen ausschalten, sodass die Infektion nicht mehr erfolgreich sein kann. Somit werden die „genetischen Einfallstore“ des Erregers geschlossen.
Dieser Ansatz lässt sich auch auf andere Pflanzenarten oder auf Wirt-Pathogen-Interaktionen übertragen.
Wenn es um Genome Editing geht, existieren eine Vielzahl an Verfahren, die nach unterschiedlichen Prinzipien funktionieren. Zu diesen Methoden zählen beispielsweise die Oligonukleotid-gerichtete Mutagenese (ODM) oder die RNA-abhängige DNA-Methylierung (RdDM). Sie weichen deutlich von den vorherigen Technologien ab.
