CRISPR
Optimierte Genschere erlaubt gezielten Gen-Einbau

Durchbruch am Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie: Exonukleasen ermöglichen den präzisen Einbau großer Gen-Abschnitte ins Erbgut höherer Pflanzen.

In der von Professor Alain Tissier und Dr. Tom Schreiber vom Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie (IPB) geleiteten Studie wurde die Gen-Editierungsmethode CRISPR/Cas optimiert, die allgemein als Genschere bekannt ist. Das sei Voraussetzung für das gezielte "Knock-In" von Genen gewesen, für das die Genschere bislang nur bedingt geeignet gewesen sei, wie das Institut mitteilte. Das verbesserte CRISPR-Verfahren ermögliche Züchtung und Wissenschaft zukünftig die gezielte Veränderung des Erbguts höherer Pflanzen und möglicherweise auch anderer Organismen. 

Anders als beim "Knock-Out" von Genen, also beim Ausschalten oder Entfernen vorhandener Gene, sei die Genschere für ein "Knock-In" bislang zu ineffizient gewesen. "Der Grund dafür liegt in der pflanzeninternen Reparaturmaschine für DNA-Brüche", erläutert Dr. Tom Schreiber. Durch die Genschere gesetzte Schnitte würden sofort erkannt und gekittet – allerdings nicht sehr genau. "Diese Ungenauigkeiten sind bei Knock-Out-Vorhaben nicht schlimm und sogar erwünscht, denn ich will ja das Gen sowieso ausschalten. Aber wenn ich ein Gen einfügen will, dann muss das sehr präzise geschehen", so Schreiber. Sonst verliere das Gen seine Funktion. Aus diesem Grund sei ein präziser Gen-Einbau bislang nur in Einzelfällen gelungen.

Ausschaltung der "pflanzeninternen Reparaturmaschine"

Um dieses Problem zu umgehen, hätten die Forschenden die Genschere um eine sogenannte Exonuklease ergänzt. Dieses Enzym könne die DNA-Schnittstelle so verändern, dass die zellinternen Reparaturenzyme den Schaden nicht mehr als solchen erkennen. So sei es möglich, den DNA-Abschnitt wie gewünscht zu integrieren. Im Experiment seien verschiedene Exonukleasen viralen, bakteriellen, pflanzlichen und menschlichen Ursprungs getestet worden. Dafür seien Blattzellen der Tabakpflanze Nicotiana benthamiana mit einem grün fluoreszierenden Farbstoff ausgestattet worden. Zur Bildung des Fluoreszenzfarbstoffes habe es jedoch erst nach einer präzisen Reparatur durch die Genschere kommen können. Durch diesen Versuch seien zwei besonders wirksame Exonukleasen gefunden worden, durch deren Ergänzung 38mal mehr perfekte Gen-Einbau-Ergebnisse erzielt worden seien. 

Dieser Ansatz wurde im Anschluss an anderen Pflanzen getestet: Unter anderem beim Weizen sei versucht worden, das jeweilige Gen ins Erbgut einzubauen, sodass es auch weitervererbt werden kann. Durch die Exonukleasen sei das bei über einem Prozent der Tochterpflanzen gelungen. "Ein Prozent klingt jetzt erst mal nicht viel", erläutert Schreiber, "aber wenn ein Züchter eine bestimmte Eigenschaft in seine Pflanze bringen will, dann müsste er mit unserem optimierten CRISPR/Cas-Verfahren nur etwa 50-100 Tochterpflanzen der ersten Generation durchforsten, um eine Pflanze mit dem gewünschten Merkmal zu finden. Das wäre eine erhebliche Zeitersparnis gegenüber herkömmlichen Züchtungsmethoden, wo man zu diesem Zweck 500 bis 1.000 Pflanzen analysieren müsste."

hes