Neues Werkzeug zur Genomeditierung

„Erstmal geht es um Grundlagenforschung: Ein neuer Mechanismus wurde aufgeklärt, wie ein Transposon (ein DNA-Abschnitt des Erbguts, der seine Position im Erbgut verändern kann; Anm. d. Red.) Sequenz-spezifisch an bestimmte Stellen ins Bakteriengenom integrieren kann. Das Neue ist die Entdeckung, dass die Transposase (Enzym, dass das Transposon ausschneidet und woanders wieder einfügt; Anm. d. Red.) eine Bridge-RNA (bRNA) benutzt, die sowohl Sequenzhomologien zu der einzufügenden Sequenz als auch zum Targetlokus (Zielstelle im Erbgut; Anm. d. Red.) aufweist. Da man die bRNA nach Belieben sowohl in den Bereichen für die Target- als auch für die Insert-Erkennung verändert kann, hat man so ein neues programmierbares Werkzeug geschaffen, jede beliebige DNA an jede beliebige Stelle ins Genom zu integrieren.“

„Das Neue an dem Prinzip ist, dass mit einer leicht veränderbaren RNA, der bRNA, nicht nur wie bei CRISPR-Systemen der anzusteuernde Lokus im Genom, sondern auch die einzufügende Sequenz definiert werden kann.“

„Hier muss man ganz klar sagen, dass es in Bakterien mit der homologen Rekombination (HR) schon eine lange etablierte und effiziente Transposon-unabhängige Möglichkeit gibt, neue genetische Information ins Genom einzubauen, wo immer man will. Bei tierischen und menschlichen Zellen sowie bei Pflanzen ist die HR aber ineffizient und kann nur mit größtem Arbeitsaufwand zu diesem Zweck genutzt werden.“

„Wir brauchen dringend für Anwendungen bei menschlichen Zellen aber auch bei Kulturpflanzen eine effiziente Technik, längere Sequenzen im Bereich von Genen an bestimmte Stellen ins Genom einzubauen. Das jetzt gefunden Prinzip könnte tatsächlich eine neuartige Lösung dieses langen ungelösten Problems ermöglichen. Allerding gibt es noch zwei Hürden. Auf der einen Seite ist es nicht garantiert, dass das bakterielle System auch gut in Zellen von Eukaryonten (Organismen, die Zellen mit Zellkern besitzen; Anm. d. Red.) funktioniert. So konnten bisher trotz vielfältiger Versuche Insertionen mit bakteriellen Transposons, die auf dem CRISPR Prinzip beruhen, noch nicht effizient in Säugetier-Zellen etabliert werden. Ein weiteres Problem ist, dass die Länge der Erkennungssequenz in der bRNA (11 bis 15 Basenpaare) für den Targetlokus im Genom nicht lang genug ist, um das System außerhalb von Bakterien zu nutzen. Da das menschliche wie auch pflanzliche Genome sehr viel größer als bakterielle sind, erwartet man bei dieser Größe schon rein statisch mehrere mögliche Insertionsstellen. Hier müsste man die Länge des Erkennungsbereichs der bRNA erhöhen, damit das System als neues Werkzeug präzise genug ist, um die gesamte Gentechnologie zu revolutionieren. Im Vergleich: Die guide-RNA der CRISPR-Nukleasen erkennt zum Beispiel eine 20 Basenpaar-lange Sequenz.“

„Das Ganze hat ein herausragendes Potenzial, ist aber momentan noch relativ weit von einer praktischen Anwendung in Medizin oder Pflanzenzüchtung entfernt.“

„Die vorgestellten Studienergebnisse bieten eine umfassende Charakterisierung der sequenz-spezifischen Rekombination von IS110 Insertionssequenzen. Die Autoren konnten erstmals zeigen, dass neben einer Rekombinase auch eine sogenannte ‚Bridge-RNA‘ an der Reaktion beteiligt ist, die durch ‚überbrückende‘ Interaktionen mit der Ziel- und Donor-DNA einen Austausch dieser DNA-Sequenzen ermöglicht. Zusammen mit einer detaillierten strukturellen Analyse des Rekombinationsmechanismus ergibt sich ein klares Bild, wie sich diese mobilen genetischen Elemente in bakteriellen Genomen bewegen. Zusätzlich bietet sich auch ein Einsatz als Genomeditierungswerkzeug an, da sich die Interaktionssequenzen der Bridge-RNA individuell austauschen lassen und sich somit die Rekombination der beiden erkannten DNA-Moleküle leicht steuern lässt.“

„Neben der Möglichkeit zur Etablierung eines neuen Werkzeugs zur Editierung von Genomen sollte hier insbesondere der elegante Mechanismus der Rekombination hervorgehoben werden. Die Autoren konnten unter anderem durch sorgfältige Strukturanalysen zeigen, wie IS110-Elemente DNA erkennen und rekombinieren können. Das entdeckte Konzept der Bridge-RNA stellt dabei einen neuartigen Weg dar, die beiden auszutauschenden DNA-Sequenzen direkt über Basenpaarung zu erkennen und ist ein hervorragendes Beispiel für die Kreativität der Natur von Insertionssequenzen. Die Evolution der Verbreitungsmechanismen mobiler genetischer Elemente bietet uns eine faszinierende Vielfalt erfolgreicher Strategien.“

„Grundsätzlich können auch andere Geneditierungsmethoden, beispielsweise unter Anwendung von CRISPR-Effektoren oder CRISPR-assoziierten Transposasen, einen gezielten Austausch von DNA-Sequenzen erzielen. Für eine erfolgreiche Anwendung sind bei diesen unterschiedlichen Ansätzen verschiedene Parameter wie Effizienz, Spezifität und Toxizität des Systems wichtig. Hier wird sich zeigen müssen, wie sich das IS110-System im Vergleich schlägt. Es kann mit einer sehr kompakten Rekombinase und einem eleganten Mechanismus zur Auswahl der auszutauschenden DNA-Elemente punkten, könnte aber Probleme mit Off-Targets (Entstehung unerwünschter DNA-Veränderungen durch das Werkzeug abseits des Zielortes; Anm. d . Red.) haben. Da sich die beiden Interaktionssequenzen der Bridge-RNA individuell austauschen lassen, können die Rekombinationsevents gut gesteuert werden und lassen neben der Insertion von DNA-Sequenzen zusätzlich auch Inversionen und die gezielte Entfernung von DNA-Abschnitten zu.“

„IS110-Rekombinasen finden sich natürlich in verschiedenen Bakterien und Archaeen und sollten daher in diesen beiden Domänen eingesetzt werden können. Sie kommen nicht in Eukaryoten vor, aber ich sehe keinen Grund, warum das System nicht auch für einen Einsatz in dieser Domäne, beispielsweise in menschlichen Zellen, optimiert werden könnte.“

„Der Bereich der Genomeditierung verfügt dank Technologien wie CRISPR bereits über eine unglaubliche Palette von Werkzeugen, doch die Welt der Bakterien birgt noch immer Geheimnisse, die diesen Werkzeugkasten noch erweitern können. Die in ‚Nature‘ veröffentlichte Arbeit berichtet über eine faszinierende Entdeckung, die in eine Technologie umgewandelt wurde und eine wichtige Fähigkeit in den Werkzeugkasten einführt: die ortsspezifische Integration von DNA, ohne doppelsträngige DNA-Brüche zu erzeugen. Diese Fähigkeit ist in diesem Bereich sehr gefragt, da es nur wenige andere Möglichkeiten gibt. Die Arbeit stellt einen einfachen Grundsatzbeweis in Bakterien dar, der weit von einer effektiven Anwendung in menschlichen Zellen entfernt ist. Es gibt in diesem Forschungsfeld jedoch bereits einen etablierten Entwicklungsweg, der diese Technologie zum Erfolg führen könnte.“

„Die Ergebnisse zeigen überzeugend, dass das Werkzeug die Einfügung eines ganzen Gens an einer ausgewählten DNA-Stelle bewirken kann. Dies passt zu einer breiteren Palette von Werkzeugen, mit denen die Einfügung von DNA erreicht werden kann, ohne schädliche Doppelstrangbrüche zu verursachen. Die veröffentlichte Arbeit stellt einen einfachen Grundsatzbeweis dafür dar, dass die DNA-Insertion an neue Stellen im Bakterium E. coli gelenkt werden kann. Die Effizienz der Insertion muss jedoch noch ermittelt werden. Daher ist noch viel Entwicklungsarbeit zu leisten, bevor das Werkzeug als wirksam und zuverlässig für verschiedene Anwendungen angesehen werden kann.“

„Das Werkzeug kann große DNA-Sequenzen einfügen, ohne dabei doppelsträngige Brüche zu erzeugen. Diese Fähigkeit wurde bereits früher gezeigt, erforderte aber mehrere Schritte oder viele Komponenten. Im Gegensatz dazu wird die DNA-Insertion hier mit nur drei Komponenten und in einem einzigen Schritt durchgeführt. Die Arbeit stellt eine einzigartige Möglichkeit vor, DNA ohne Doppelstrangbrüche einzufügen, die aus einem speziellen Bereich der Mikrobiologie stammt.“

„Das Werkzeug könnte über E. coli hinaus auf andere Organismen ausgedehnt werden, auch wenn dafür umfangreiche technische Anpassungen erforderlich sein könnten, um den Sprung zu schaffen. Wenn es gelingt, könnte das Werkzeug besonders nützlich für den Bereich Gentherapie sein, der auf dem Austausch von Genen beruht, sowie für Pflanzen, um wünschenswerte Eigenschaften wie Trockenheitsresistenz zu erzeugen.“

„Die vorgestellten Studienergebnisse sind überzeugend, da sie durch umfangreiche Experimente und detaillierte Analysen gestützt werden. Die Arbeit von Patrick Hsu und seinem Team an der UC Berkeley hat gezeigt, dass das neue Genomeditierungstool präzise und effizient ist, insbesondere bei der Anwendung in komplexen biologischen Systemen. Diese Forschung wird von renommierten Institutionen wie dem Arc Institute unterstützt, was die Glaubwürdigkeit weiter erhöht. Das vorgestellte Tool wird als eine signifikante Weiterentwicklung im Feld der Genomeditierung eingeordnet, indem es auf den bisherigen CRISPR-Cas-Systemen aufbaut und verbesserte Spezifität sowie geringere Off-Target-Effekte bietet, was es zu einem wertvollen Werkzeug für präzisere genetische Modifikationen macht.“

„Zusätzlich überzeugen die Studienergebnisse durch die detaillierten mechanistischen Einsichten und strukturellen Daten, die durch Kryo-Elektronenmikroskopie (cryo-EM) gewonnen wurden. Diese zeigen die präzise Funktionsweise des IS110-Rekombinasesystems, das eine Brücken-RNA (bRNA) nutzt, um gezielte DNA-Rekombinationen zu steuern. Hochauflösende Strukturen der verschiedenen Stadien des Reaktionszyklus unterstützen diese Erkenntnisse, indem sie die molekularen Interaktionen und Aktivitätsstellen der Enzyme klar darstellen. Das IS110-Rekombinasesystem stellt somit einen bedeutenden Fortschritt im Bereich der Genomeditierung dar. Es bietet eine neue Methode zur präzisen und modular programmierbaren DNA-Rekombination, die sich von traditionellen Methoden wie CRISPR-Cas-Systemen abhebt. Insbesondere die Verwendung der Brücken-RNA (bRNA) zur Spezifitätsbestimmung für Ziel- und Donor-DNA (das einzufügende DNA-Stück; Anm. d. Red.) durch zwei programmierbare Schleifen ist innovativ und zeigt das Potenzial für breitere Anwendungen in der Genomeditierung.“

„Das neue Genomeditierungstool unterscheidet sich von bisherigen durch seine verbesserte Zielgenauigkeit und die Fähigkeit, komplexere genetische Modifikationen durchzuführen. Im Gegensatz zu traditionellen CRISPR-Cas9-Systemen bietet dieses Tool eine erweiterte Funktionalität, die uns genetische Veränderungen auf molekularer Ebene genauer steuern lässt. Zu den Vorteilen zählen die reduzierte Wahrscheinlichkeit von Off-Target-Effekten und die Fähigkeit, auch in postmitotischen Zellen (Zellen, die sich nicht teilen; Anm. d. Red.), wie Nervenzellen, effizient zu arbeiten.“

„Das IS110-Rekombinasesystem unterscheidet sich von bisherigen Genomeditierungstools hauptsächlich durch die Nutzung von Brücken-RNA (bRNA), die Spezifität sowohl für Ziel-DNA als auch für Donor-DNA verleiht. Im Gegensatz zu CRISPR-Cas-Systemen, die RNA-Leitfäden verwenden, um spezifische DNA-Ziele zu erkennen und zu schneiden, jedoch keine gleichzeitige Rekombination mit Donor-DNA durchführen können, bietet dieses System eine innovative Lösung. Ein wesentlicher Vorteil des IS110-Systems ist seine Modularität und Programmierbarkeit, die präzise DNA-Insertionen, -Inversionen und -Exzisionen ermöglicht. Dies führt zu höherer Genauigkeit und geringeren Off-Target-Effekten, da die bRNA spezifisch für die gewünschten DNA-Sequenzen entworfen werden kann.“

„Mit der neuen Genomeditierungsmethode können Forschungsvorhaben umgesetzt werden, die bisher aufgrund von Präzisionsproblemen und Off-Target-Effekten schwierig waren. Zum Beispiel können komplexe genetische Netzwerke in neuronalen Zellen besser untersucht und gezielt modifiziert werden, was Türen für die Erforschung und potenzielle Behandlung von bisher schwer adressierbaren neurologischen Erkrankungen öffnet. Darüber hinaus ermöglicht diese Methode die präzise Integration von Genen an spezifischen Stellen des Genoms, was für das Forschungsgebiet der funktionellen Genomik und die Entwicklung gentechnisch veränderter Organismen von großer Bedeutung ist. Dies könnte besonders in der Pflanzenbiotechnologie und der Entwicklung von Tiermodellen nützlich sein, wo genaue Genommodifikationen erforderlich sind, um bestimmte genetische Eigenschaften zu studieren oder zu erzeugen.“

„Das Tool ist theoretisch auf eine Vielzahl von Organismen anwendbar, da die grundlegenden Mechanismen der Genomeditierung in vielen Lebensformen ähnlich sind. Besonders im Bereich der Landwirtschaft und Tierzucht besteht ein großer Bedarf an neuen Lösungsansätzen, um genetisch verbesserte Pflanzen und Tiere zu entwickeln, die widerstandsfähiger gegen Krankheiten und Umweltveränderungen sind. Auch in der biomedizinischen Forschung zur Entwicklung neuer Therapien für genetische Erkrankungen besteht ein hoher Bedarf an präzisen Genomeditierungstools.“

„Das IS110-Rekombinasesystem könnte ebenfalls auf eine Vielzahl von Organismen angewandt werden. Aufgrund seiner Modularität und der Möglichkeit, die bRNA für spezifische Ziel-DNA-Sequenzen zu programmieren, ist der Einsatz in verschiedenen Organismen, von Bakterien bis hin zu höheren Eukaryoten, denkbar. Der größte Bedarf an neuen Lösungsansätzen besteht in der medizinischen Genetik, der Landwirtschaft und der industriellen Biotechnologie. In der medizinischen Genetik könnte dieses System zur Korrektur genetischer Defekte oder zur präzisen Genintegration verwendet werden. In der Landwirtschaft könnten Pflanzen gezielt genetisch verbessert werden, um Erträge zu steigern oder Resistenzen gegen Krankheiten zu erhöhen. In der industriellen Biotechnologie könnten Mikroorganismen effizienter modifiziert werden, um biochemische Prozesse zu optimieren.“

„Diese Studien zeigen das Potenzial des neuen Genomeditierungstools, die Präzision und Effizienz genetischer Modifikationen erheblich zu verbessern und somit neue Möglichkeiten in der Forschung und Anwendung zu eröffnen. Abschließend sollte jedoch darauf hingewiesen werden, dass weitere präklinische Studien notwendig sind, um die Sicherheit und generelle Anwendbarkeit dieses neuen Systems zu beschreiben.“