Genome Editing

Sammelbezeichnung für neue molekularbiologische Verfahren, mit denen gezielt Mutationen in ganz bestimmten Abschnitten der DNA herbeigeführt werden. Gene können so an- oder ausgeschaltet, eingefügt oder entfernt werden. Werden auch in der Pflanzenzüchtung eingesetzt.

Unter Genome Editing (manchmal auch: Gene Editing) versteht man eine Reihe von neuen molekularbiologischen Methoden, mit denen gezielt Veränderungen im Genom vorgenommen werden können. Sie sind sehr effizient und präzise. Etwas vereinfacht bestehen sie aus drei Schritten:

Genome Editing 3

(1) Zunächst muss im riesigen Genom einer Pflanze – das oft aus Milliarden Basenpaaren (DNA-Bausteine) besteht – genau die Stelle gefunden und angesteuert werden, bei der eine Änderung durchgeführt werden soll. Dazu werden im Labor „Sonden“ konstruiert, die genau zu der jeweiligen Ziel-Sequenz passen. Dies können Zinkfinger-Nukleasen, Transcription Activator-like Effector Nucleases (TALENs), Meganukleasen oder wie beim CRISPR/Cas-System RNA-Abschnitte sein.

(2) Genau an der jeweiligen Zielsequenz – und nur da – wird der DNA-Strang mit einer molekularen „Schere“ – meist ein Protein (Restriktionsenzym, Cas-Protein) - geschnitten. Beide Elemente – „Sonde“ und „Schere“ sind zuvor in die Pflanzenzelle eingeführt worden

(3) Der an der jeweiligen Stelle herbeigeführte DNA-Doppelstrangbruch kann durch natürliche zelleigene Reparaturmechanismen wieder geflickt werden. Je nach verwendetem Reparaturmechanisus sind verschiedene Veränderungen des Erbguts möglich:

  • Bei der homologen Rekombination wird die Bruchstelle in der DNA anhand einer homologen Sequenz repariert, welche als Schablone für die zu ersetzende Sequenz dient. Die homologe Sequenz kann man nutzen, um eine gewünschte Sequenz in das Genom einzufügen. Dafür baut man die Wunschsequenz zwischen Sequenzen ein, welche zu den Bruchstellen der geschnittenen DNA passt. Es können auch vorhandene Sequenzen ersetzt oder entfernt werden. Durch das Einfügen bzw. Entfernen von Sequenzen können zum Beispiel gezielt Gene an- oder ausgeschaltet (Gen-Knockin/Gen-Knockout) werden.
  • Beim Nonhomologous end joining (NHEJ) werden mit verschiedenen Enzymen die DNA-Enden am Doppelstrangbruch direkt miteinander verbunden. NHEJ ist sehr fehleranfällig, so dass an den Reparaturstellen meist Mutationen entstehen. Man kann also durch das Schneiden der Doppelstrang-DNA und anschließendes Reparieren mittels NHEJ Mutationen hervorrufen.
Genome editing Rekombination

Reparatur eines DNA-Doppelstrangbruchs durch homologe und nicht-homologe Rekombination.

Bisher ist es noch offen, ob mit Genome Editing-Verfahren gezüchtete Pflanzen als gentechnisch veränderte einzustufen sind (GVO). Angewendet wurde Genome Editing bereits bei verschiedenen Kulturpflanzen wie Mais, Soja, Petunie, Raps, Tomate und Reis.


Siehe auch

TALEN CRISPR/Cas-System Zinkfinger-Nukle88t:asen Oligonukleotid gerichtete Mutagenese (ODM) Restriktionsenzym