Gezielte Genomveränderungen von Reis

Reis ist eine der wichtigsten Nahrungspflanzen der Welt. Wissenschaftler haben die revolutionäre CRISPR/Cas9-Methode nun so abgewandelt, dass sich mit ihr gezielt Basen im Reisgenom editieren lassen. Das könnte die moderne Pflanzenzucht beflügeln.

Reis (Oryza sativa) ist eine der bedeutendsten Nahrungspflanzen der Menschheit. Für fast die Hälfte der Erdbevölkerung sichert diese Getreidepflanze das tägliche Überleben. Doch die Reiszucht ist ein schwieriges Unterfangen: Erstens sind die Ansprüche an Reiskörner regional unterschiedlich geprägt, zweitens ist es bisher nicht gelungen, Qualität und Ertrag von Reis gleichermaßen zu verbessern. Ertragreiche Pflanzen weisen oft keine besonders gefragte Qualität auf, die sich beispielsweise bei transparenten Körnern in undurchsichtigen Stellen mit kalkigem Geschmack äußert. Qualitativ hochwertige Pflanzen hingegen bringen oft wenig Ertrag ein. Eine Abwandlung der CRISPR/Cas9-Methode könnte in Zukunft Abhilfe schaffen.

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CRISPR/Cas9 zur Herstellung von Knock-out (k. o.) bzw. loss-of-function Mutanten

Die CRISPR/Cas9 (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats/CRISPR-associated Cas9 endonuclease)-gesteuerte Genom Editierung hat die biologische Forschung revolutioniert, denn CRISPR/Cas9 ist spezifisch, relativ einfach und vielseitig einsetzbar.

Ein Gen mit Hilfe von CRISPR/Cas9 zu editieren, erfordert lediglich drei Voraussetzungen:

1. Das Cas9-Protein muss im Zellkern exprimiert werden

2. Eine sogenannte „Guide RNA“ (gRNA) muss hergestellt werden, deren erste 20 Nukleotide komplementär zum Ziel-Gen sein müssen, um eine hohe Spezifität zu erzielen.

3. Man benötigt eine NGG PAM (protospacer-adjacent motif) Stelle, die direkt an das 3`-Ende der Zielsequenz anschließt.

Im Beisein der gRNA führt Cas9 zu einem Doppelstrangbruch in der Zielsequenz. Der zelleigene Prozess „non-homologous end joining“ (NHEJ) sorgt dafür, diesen DNA-Schaden schnell zu reparieren. Er fügt die zwei DNA-Fragmente wieder zusammen, ohne dafür eine homologe DNA-Sequenz als Vorlage für die Reparatur der DNA zu benutzen. Doch das bleibt nicht ohne Folgen: Kleine Deletionen oder Insertionen sind die Folge, die gerne zur Herstellung von Knock-out oder loss-of-function Mutanten genutzt werden. Denn manchmal genügt schon ein einzelner Basenaustausch oder der Verlust einer einzelnen Base, um ein Gen funktionslos zu machen.

Große Herausforderung: Zielgerichtete Punktmutation in einer Pflanze

„Der Großteil der Genom Editierungsstudien bei Pflanzen gehört zu dieser Kategorie”, schreiben Wissenschaftler in einer aktuellen Publikation. Derartige k. o.-Mutanten seien zwar sehr nützlich, wenn es darum ginge, Genfunktionen aufzuspüren und diese wissenschaftlich zu beschreiben. Bei der Verbesserung von Nahrungspflanzen stieß die Methode aber bisher an ihre Grenzen, da landwirtschaftlich wichtige Eigenschaften zwar auch durch einzelne Nukleotid Polymorphismen oder dominante Punktmutationen verliehen werden, die jedoch weniger mit einem Funktionsverlust, als vielmehr mit einem Funktionsgewinn einhergehen. „Zielgerichtete Punktmutationen in einer Pflanze zu generieren, war bisher eine große Herausforderung“, so die Forscher.

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Gezielte Genomveränderungen von Reis

Aus diesem Grund haben die Forscher CRISPR/Cas9 so verändert, dass gezielte Punktmutationen selbst in so komplexen Genomen wie dem Reisgenom möglich werden. Dazu benutzten sie ein Cas9-Protein mit einer bestimmten Mutation (D10A), ein Cytidin-Deaminase-Enzym und einen Uracil Glykosylase Inhibitor (UGI), der die Reparatur der herausgeschnittenen Base verhindert. Mit diesem System gelang es den Forschern, präzise Punktmutationen in drei verschiedene Zielsequenzen beim Reis einzubringen.

Effektiver und einfacher als herkömmliche Methoden

„Damit haben wir ein Werkzeug geschaffen, mit dem wir die Basen einer Nahrungspflanze effektiv verändern können“, schreiben die Wissenschaftler. Diese Methode ist den herkömmlich eingesetzten an Effektivität weit überlegen. „Auch die Handhabung der neuen Methode ist wesentlich einfacher als die der herkömmlichen“, so die Forscher und weiter: „Die neue CRISPR/Cas9-Methode ist vor allem für Züchter interessant, die die genetischen Eigenschaften ihrer Pflanzen verbessern möchten.“ Ein weiterer Vorteil der neuen Methode: Da der Ansatz ohne ein DNA Donor-Template auskommt, wird der zufällige Einbau von DNA in das pflanzliche Genom vermieden. Ob andere pflanzliche Cytidin-Deaminasen ein ähnliches Potential zur effektiven Basen-Editierung haben, werden die Wissenschaftler in weiteren Studien testen.