Homology-directed repair (HDR)

Homology-directed repair (HDR) ist ein natürlicher Reparaturmechanismus der Zelle, der DNA-Doppelstrangbrüche mithilfe homologer Sequenzen wiederherstellt. „Homolog“ bedeutet, dass eine passende oder nahezu identische DNA-Vorlage vorhanden ist, an der sich der defekte Abschnitt orientieren kann. HDR ist präzise – im Gegensatz zu anderen Reparaturwegen, die Brüche einfach „zusammenkleben“ und dabei Fehler einbauen.

In der Genom-Editierung nutzt man HDR, um gezielt neue DNA-Abschnitte in das Genom einzufügen oder vorhandene zu ersetzen. Dazu wird der DNA-Strang an einer bestimmten Stelle – meist durch eine Genschere wie CRISPR/Cas9 – geschnitten, und gleichzeitig eine künstliche DNA-Vorlage in die Zelle eingebracht. Diese Vorlage enthält die gewünschte Mutation oder den neuen Abschnitt, flankiert von Sequenzen, die zu den Enden des Schnitts passen. Die Zelle erkennt die Übereinstimmung und repariert den Bruch mithilfe dieser Vorlage.

In Pflanzen ist HDR jedoch weniger effizient als bei Tieren oder Mikroorganismen. Der Grund: Pflanzenzellen bevorzugen meist den einfacheren, aber ungenaueren Reparaturweg Non-homologous End Joining (NHEJ). Forschende versuchen deshalb, HDR gezielt zu fördern – etwa durch die gleichzeitige Aktivierung bestimmter Zellzyklen, die Nutzung von Nickasen oder die Entwicklung alternativer Mechanismen wie Microhomology-mediated End Joining (MMEJ).

Trotz dieser Herausforderungen ist HDR eine Schlüsseltechnologie der präzisen Genom-Editierung. Sie ermöglicht es, exakte genetische Veränderungen vorzunehmen, ohne zufällige Mutationen zu riskieren – etwa um krankheitsresistente oder nährstoffeffiziente Pflanzenvarianten herzustellen. In Kombination mit neuen Werkzeugen wie Base oder Prime Editing bleibt HDR ein zentrales Forschungsfeld moderner Molekularbiologie.