Armtausch zwischen Chromosomen
Mit Hilfe von CRISPR/Cas lassen sich Genome neu strukturieren
CRISPR/Cas ermöglicht es nun, auch Chromosomen umzustrukturieren. (Bildquelle: © iStock.com / nobeastsofierce)
Pflanzenzüchter stehen immer wieder vor dem Problem, dass Gene für günstige und ungünstige Eigenschaften sehr nah beieinander liegen und daher auch gemeinsam vererbt werden. Doch mit der Hilfe von CRISPR/Cas kann man nun auch Chromosomen umstrukturieren und solche Kopplungen lösen. Das könnte die Züchtung in Zukunft erheblich beschleunigen.
CRISPR/Cas ist aus der molekularbiologischen Forschung inzwischen nicht mehr wegzudenken. Bisher wurde die Methode vor allem dazu genutzt, einzelne Gene im Genom zu verändern oder zu deaktivieren. Jetzt haben Forscherinnen und Forscher gezeigt, dass die molekularen Scheren sich auch dazu eignen, das ganze Genom von Pflanzen umzubauen.
Es ist ihnen gelungen, mehrere hunderttausend Basenpaare zwischen heterologen Chromosomen auszutauschen.
Puchta ist ein Pionier auf dem Gebiet des Genom Editing und hat für sein CRISBREED-Projekt einen ERC Advanced Grant in Höhe von 2,5 Millionen Euro erhalten.
Bildquelle: © Manuel Balzer, KIT
„Mir schwebt dieses Ziel seit 25 Jahren vor und ich bin sehr glücklich, dass es jetzt geklappt hat“, sagt Holger Puchta, Professor am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), der die Experimente gemeinsam mit Andreas Houben, Professor am IPK Gatersleben, geleitet hat.
Ein solcher Austausch von genetischem Material zwischen Chromosomen nennt sich Crossing-over und geschieht auch unter natürlichen Bedingungen in Keimzellen. Dann jedoch fast immer zwischen homologen Chromosomen mütterlicher und väterlicher Herkunft, die sich in räumlicher Nähe befinden.
Crossing-over zwischen heterologen Chromosomen
Die Experimente fanden an der Modellpflanze Arabidopsis thaliana statt. Mit Hilfe der Cas-Nuklease von Staphylococcus aureus SaCas9 wurden in den Chromosomen 1 und 2 jeweils Doppelstrangbrüche erzeugt. Die zelleigene Reparaturmaschinerie hat diese Brüche dann falsch verknüpft. Durch diese Translokation sind neue Chromosomen entstanden, Mischformen aus Chromosom 1 und 2 also. „Das ist besonders aufregend, wenn man bedenkt, dass schon wenige Chromosomen-Änderungen dazu führen können, dass eine neue Spezies entsteht“, erklärt Puchta.
Die Translokationsfrequenz betrug zunächst 0,01 Prozent. In 60 Prozent der Fälle wurden die beiden Chromosomenarme fehlerfrei wieder zusammengefügt. Die restlichen 40 Prozent wiesen hauptsächlich kleinere Deletionen auf. Die Primärinformation, also die Gene selbst, blieb nahezu unverändert erhalten.
Methode könnte Züchtung erheblich vereinfachen
Doppelstrangbrüche können von der Zelle auf unterschiedliche Art und Weise repariert werden. Die eine Methode nennt sich Homologe Rekombination (HR) und läuft meist fehlerfrei ab. Daneben gibt es noch klassisches und alternatives Non-Homologous End-Joining (cNHEJ und aNHEJ). Als die Wissenschaftler ein für cNHEJ essenzielles Enzym (Ku70) deaktivierten, stieg die Translokationsfrequenz in diesen Pflanzen auf 0,05 Prozent.
An der Modellpflanze Ackerschmalwand wurden mithilfe des Proteins Cas9 erstmals Chromosomen neu zusammengesetzt.
Bildquelle: © Angelina Schindele / KIT
Das kontrollierte Restrukturieren von Pflanzengenomen hat das Potenzial, die gesamte Pflanzenzüchtung zu transformieren. Denn bisher stehen Züchter oft vor dem Problem, dass Gene für günstige und ungünstige Eigenschaften sehr nah beieinander liegen und daher auch zwangsläufig gemeinsam vererbt werden. Mit Hilfe einer induzierten Translokation könnte es gelingen, solche ungünstigen Verbindungen zu trennen und stattdessen mehrere gewünschte Gene quasi aneinander zu koppeln.
Neues Ziel: ein kompletter Chromosomenumbau
„Die Methode lässt sich prinzipiell bei allen Pflanzen anwenden“, erklärt Holger Puchta. Viele agronomisch wichtige Pflanzen wie Kartoffel, Weizen oder Mais sind allerdings nicht diploid wie Arabidopsis und haben auch wesentlich mehr Chromosomen. Für eine effiziente Translokation muss man es daher schaffen, die neu zu verknüpfenden Chromosomenarme möglichst in räumliche Nähe zueinander zu bringen. Weil außerdem viele Gene redundante Aufgaben übernehmen, muss man vermutlich mehrere Umstrukturierungen vornehmen, um den gewünschten Effekt zu erreichen.
Puchta arbeitet derweil weiter an Möglichkeiten, das Pflanzengenom komplett zu restrukturieren. „Zentromer verschieben oder Arme umdrehen – wir sind Technologie-Entwickler und schauen, was möglich ist.“
Quelle:
Beying, N. et al. (2020): CRISPR–Cas9-mediated induction of heritable chromosomal translocations in Arabidopsis. In: Nature Plants, (25. April 2020), doi: 10.1038/s41477-020-0663-x.
Zum Weiterlesen:
- CRISPR/Cas: Baukasten zur Editierung von Genomen wird erweitert - Basen-Editierung ermöglicht jetzt Korrektur von Punktmutationen in DNA und RNA
- Effiziente Genomeditierung mit weniger Nebeneffekten - Vielversprechende Weiterentwicklungen der CRISPR/Cas9-Methode
- Genscheren-Tuning - Gewebespezifische Genomeditierung mit CRISPR
Titelbild: CRISPR/Cas ermöglicht es nun, auch Chromosomen umzustrukturieren. (Bildquelle: © iStock.com / nobeastsofierce)
