Zinkfinger-Nukleasen

Molekularbiologische Methode mit künstlich hergestellten Enzymen, um DNA zielgerichtet zu schneiden und zu verändern. Gene können eingefügt, entfernt oder ausgeschaltet werden. Das Verfahren wird auch in der Pflanzenzüchtung eingesetzt.

Zinkfinger-Nukleasen (ZFN) sind künstlich hergestellte Restriktionsenzyme, welche die DNA an einer gewünschten Zielsequenz schneiden, um das Genom an dieser Stelle zu verändern. Sie werden auch als Designer-Nukleasen oder molekulare Scheren bezeichnet und zählen zu den Genome Editing-Verfahren. Mit ihnen können Gene gezielt ausgeschaltet, entfernt oder neue Gene eingefügt werden.

Aufgebaut sind ZFN aus einer Zinkfingerdomäne und einem Enzym, welches doppelsträngige DNA schneiden kann (Endonuklease). Über die Zinkfingerdomäne, eine schleifenförmige Proteinstruktur, die durch ein Zink-Ion zusammengehalten wird, kann die ZFN sequenzspezifisch an die DNA binden. Danach schneidet die Endonuklease die DNA an dieser Stelle.

Die Zinkfingerdomäne der ZFN kann so konstruiert werden, dass sie eine gewünschte DNA-Sequenz ganz gezielt erkennt. Die Konstruktion und Herstellung der ZFN ist jedoch sehr aufwändig und zeitintensiv.

In der Pflanzenzüchtung spielen vor allem drei Varianten der ZFN eine Rolle.

Bei der ZFN 1 -Technologie wird mit ZFN ein Doppelstrangbruch der DNA herbeigeführt, ohne dass man den natürlichen Reparaturmechanismus beeinflusst. Durch Verbinden der freien Enden (Non homologous end joining) entstehen zufällig Mutationen an einem oder wenigen Basenpaaren. Mitunter werden auch kurze DNA-Stücke neu eingefügt (Insertion) oder entfernt (Deletion). So können kurze Genomabschnitte verändert oder ausgeschaltet werden.

Bei der ZFN 2 -Technologie wird neben der ZFN auch ein kurzes DNA-Stück in die Zelle eingebracht, welches homolog zu den Bruchkanten der geschnittenen DNA ist und bei dem ein oder mehrere Basenpaare ausgetauscht wurden. Das DNA-Stück dient als Vorlage für die Reparatur des Doppelstrangbruches. Durch natürliche Reparaturmechanismen (homologe Rekombination) wird anhand der eingeführten DNA die Veränderung ins Genom der Zelle eingebracht. Auf diese Weise können Gene ausgeschaltet oder repariert werden.

Die ZFN 3 -Technologie verläuft ähnlich der ZFN 2-Technologie, jedoch werden zwischen den Enden der eingebrachten DNA, welche homolog zu den Flanken am Doppelstrangbruch sind, längere DNA-Abschnitte, zum Beispiel fremde Gene, eingefügt. Diese werden dann bei der Reparatur des Doppelstrangbruches ins Genom der Zelle integriert.

In der Pflanzenzüchtung wurden ZFN bereits bei Tabak, Soja, Mais, Raps und Tomaten eingesetzt. Auch in der Tierzüchtung laufen Forschungsprojekte, in denen ZFN verwendet werden, etwa bei Schweinen.

Siehe auch

Genome Editing Restriktionsenzym Nukleasen Rekombination Homologe Rekombination