Was ist Genom-Editierung?

Wie beim Editieren von Texten oder Filmen geht es bei der Genom-Editierung darum, DNA zu bearbeiten. Der Begriff steht für eine Reihe von Methoden, die es ermöglichen, DNA gezielt zu verändern. Genau genommen geht es darum, gezielte Mutationen in ausgewählten DNA-Abschnitten zu erzeugen.

Wer bei Google oder in kommerziellen Datenbanken nach Bildern zur Genom-Editierung sucht, dem werden oft Bilder mit Scheren vorgeschlagen, die gerade dabei sind, einen DNA-Strang zu zerschneiden. Was steckt hinter diesem Motiv? Was haben Scheren mit Genom-Editierung zu tun?

Wofür stehen die Scheren?

Die Scheren stehen für eine Klasse von Proteinen, Restriktionsenzyme, die bestimmte DNA-Sequenzen erkennen und zerschneiden können. Entdeckt wurden die hauptsächlich in Prokaryoten vorkommenden Enzyme bereits 1970. Doch dauerte es einige Jahre, bis man sie zur gezielten Veränderung von DNA einsetzen konnte.

Im Folgenden werden drei Verfahren vorgestellt, die besonders häufig im Zusammenhang mit der Genom-Editierung genannt werden und die alle eine Gemeinsamkeit haben: Sie basieren auf der Erzeugung von Doppelstrangbrüchen mithilfe der angesprochenen Molekularscheren. 1996 war man so weit, mithilfe künstlich erzeugter Restriktionsenzyme, sogenannte Zink-Finger-Nukleasen (ZFN), DNA gezielt zu zerschneiden. ZFN bestehen aus einem Protein, das die zu zerschneidende DNA erkennt (die namensgebende Zinkfingerdomäne), und einem Restriktionsenzym (die Schere). Doch der damit verbundene Aufwand war noch enorm. Für eine einzige Anwendung benötigte man 1-2 Monate Vorbereitungszeit und die Kosten lagen bei 1.000-25.000 US-Dollar.

Wie sieht das Grundprinzip aus?

2010 erfolgte mit der Entwicklung der TALEN-Technologie eine weitere Verbesserung des Verfahrens. Auch hier handelte es sich wie bei ZFN um künstliche Restriktionsenzyme (Transkriptionsaktivatorartige Effektor-Nuklasen), die einfacher zu produzieren waren. Der Zeitaufwand für ein einzelnen Eingriff reduzierte sich auf unter eine Woche. Doch erst mit der 2012 entwickelten CRISPR/Cas-Technologie wurde eine Revolution einläutetet. Dieses Verfahren reduzierte die Kosten auf weit unter 100 US-Dollar pro Experiment und kann inklusive Planung und Vorbereitung in wenigen Tagen durchgeführt werden.

Vom Prinzip her lassen sich alle drei Verfahren – ZFN, TALEN und CRISPR/Cas – in drei identische Schritte unterteilen: (1) Suchen und Finden, (2) Schneiden und (3) Reparieren.

1. Suchen und Finden

Zunächst einmal muss die Zielsequenz in einem riesigen Fundus von DNA-Sequenzen aufgespürt werden. Ausschlaggebend ist dafür die Basenabfolge der Zielsequenz, die als Erkennungsmerkmal dient. Erkannt wird diese von speziell programmierten Molekülen, die im Verbund mit den Restriktionsenzymen an die Sequenz andocken. Bei der ZFN-Technologie ist es die Zinkfingerdomäne, bei CRISPR/Cas die sogenannte Guide RNA.

2. Schneiden

An der Zielsequenz angekommen beginnt das Restriktionsenzym – genau genommen eine Endonuklease – mit seiner Arbeit: das exakte Schneiden der DNA an der vorher festgelegten Stelle.

3. Reparieren

Die eigentliche Veränderung der DNA kommt aber erst jetzt. Es beginnt damit, dass zelleigene Reparatur-Enzyme versuchen, den Schaden an der DNA zu beheben. Da dieser Mechanismus fehleranfällig ist, können dadurch beispielsweise Punktmutationen entstehen, die das Gen inaktivieren. Es können aber auch einzelne oder mehrere Basen gelöscht (Deletion) oder neue DNA-Bausteine (bis hin zu größeren DNA-Stücken bei gleichzeitiger Zugabe von synthetischen DNA-Fragmenten als „Reparaturvorlage“) hinzugefügt werden (Insertion).

In der Literatur werden Deletions- und Insertionsereignisse bei der Genom-Editierung häufig unter dem Begriff Indel (aus den jeweils ersten Silben von Insertion und Deletion) zusammengefasst.

Anwendung in der Pflanzenforschung und -zucht

Pflanzenforschen und –züchtern bieten die Methoden der Genom-Editierung ganz neue Möglichkeiten. Sie können durch gezielte Veränderung einzelner Gene deren Funktionen erkennen und letztendlich die Eigenschaften der Pflanzen beeinflussen.

So lassen sich beispielsweise mithilfe der Genom-Editierung „genetische Einfallstore“ für Krankheitserreger wie dem gefürchteten Mehltau-Erreger gezielt schließen. Dieser Pilz siedelt sich u. a. in Weizenpflanzen an und zapft seine Zellen an, um an Nährstoffe zu kommen. Das macht er mit einer Art Schlauch, die er in die Zellen einführt. Um in die Pflanzenzelle eindringen zu können, benötigt der Erreger aber ein bestimmtes Weizen-Protein auf der Oberfläche seiner Wirtszellen: das MLO-Protein. Ist dieses Oberflächenprotein aber mutiert, kommt es nicht mehr zu einer erfolgreichen Pilzinfektion. Durch die neuen Züchtungsmethoden ist es möglich, das mlo-Gen bei Weizen auszuschalten.

Dieser Ansatz lässt sich auch auf andere Pflanzenarten oder andere Wirt-Pathogen-Interaktionen übertragen.

Neben den drei vorgestellten Technologien gibt es eine Reihe weiterer Verfahren, die ebenfalls im Zusammenhang mit dem Begriff Genome Editing diskutiert werden, aber nach einem etwas anderen Prinzip funktionieren. Dazu zählen u. a. die Oligonukleotid gerichtete Mutagenese (ODM) oder die RNA-abhängige DNA-Methylierung (RdDM).