DNA punktgenau korrigieren |
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30.10.2017 10:22 Uhr |
Von Christina Hohmann-Jeddi / Zwei neue Werkzeuge für Genetiker stellen Arbeitsgruppen vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Boston in den Fachjournalen »Nature« und »Science« vor. Die neuen Basen-Editoren sind Weiterentwicklungen der Genschere CRISPR/Cas9. Sie können Punktmutationen präziser und zuverlässiger korrigieren als die etablierten Systeme, indem sie Basen modifizieren, ohne die Doppelhelix zu zerschneiden.
Bereits seit fünf Jahren setzen Forscher die Genschere CRISPR/Cas9 ein, um DNA gezielt zu verändern. Bei dieser Methode führt eine guide-DNA die Genschere an die gewünschte Zielregion im Erbgut, wo dann die bakterielle Endonuclease Cas9 den DNA-Doppelstrang durchtrennt. Den Doppelstrangbruch beheben kann die Genschere nicht, das müssen die Reparaturenzyme der Zelle übernehmen, was nicht immer korrekt erfolgt. Zum Teil werden beim Kitten DNA-Sequenzen eingefügt (Insertion) oder herausgenommen (Deletion).
Kaum Fehler
Dieses Problem entsteht bei den Basen-Editoren nicht, da sie einzelne Basen durch chemische Reaktionen ineinander umwandeln, aber keine Strangbrüche einfügen. Basen sind die Bausteine der DNA. Die vier Basen Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T) fügen sich in der Doppelhelixstruktur immer in AT- beziehungsweise GC-Paaren zusammen. Bereits vor einem Jahr stellte die Arbeitsgruppe um Professor Dr. David Liu vom Broad Institute des MIT den ersten Basen-Editor vor. Dieser konnte allerdings nur GC-Basenpaare in AT-Paare umwandeln. Nun hat das Team um Liu einen weiteren Editor entwickelt, der auch AT- in GC-Paare umwandeln kann. Bei etwa der Hälfte aller Punktmutationen, die mit Erkrankungen in Verbindung stehen, ist eine GC-Paarung fälschlicherweise durch eine AT-Paarung ersetzt worden. Diese Fehler können mit dem neuen Adenin-Basen-Editor, den Liu und seine Kollegen im Fachjournal »Nature« vorstellen, behoben werden (DOI: 10.1038/nature24644). Hierfür schalteten sie die Endonuclease-Aktivität der Genschere aus und fügten dafür eine Adenin-Deaminase ein. Der Basen- Editor veränderte in Zelluntersuchungen die gewünschte Basenpaarung mit einer Effizienz von 50 Prozent, quasi ohne Fehler wie Insertionen oder Deletionen hervorzurufen, berichten die Forscher.
Veränderungen in RNA
Einen ganz ähnlichen Basen-Editor, der allerdings RNA und nicht DNA verändert, hat eine Arbeitsgruppe um Professor Dr. Feng Zhang entwickelt. Das Team verwendete hierfür die RNase Cas13, deren katalytische Aktivität ausgeschaltet war, um das Enzym ADAR2 an die Zielregion zu führen. Dieses wandelt Adenin in Inosin um, das beim Ablesen als Guanin gelesen wird. Hierdurch können Punktmutationen auf mRNA-Ebene behoben werden. Das Genprodukt ist korrigiert, das Erbgut bleibt dabei unverändert. Ihr System nennen die Forscher REPAIR, was für »RNA Editing for Programmable A to I Replacement« steht. Sie testeten es an Zellen, die genetisch so manipuliert waren, dass sie die für die Fanconi-Anämie beziehungsweise die für Diabetes insipidus verantwortliche Punktmutation enthielten.
REPAIR arbeite mit einer Effizienz von 23 bis 35 Prozent, berichten die Forscher in »Science« (DOI: 10.1126/science.aaq0180). Dabei sei wenig Off-target-Aktivität zu beobachten gewesen, das bedeutet, dass wenige Veränderungen außerhalb der Zielregion vorgenommen wurden. Dadurch, dass die Mutationen auf mRNA-Ebene korrigiert werden, ist die Wirkung nur vorübergehend.
Als nächstes wollen die Forscher die Effizienz von REPAIR weiter verbessern und es in ein Transportsystem verpacken, das das gezielte Einschleusen in bestimmte Gewebe ermöglicht. Die Forscher arbeiten zudem an weiteren Editoren, die andere Nucleotid-Konversionen vornehmen können. Es gebe reichlich Auswahl bei den zur Verfügung stehenden Enzymen, heißt es in einer Pressemeldung des MIT. Zhangs Gruppe plant, das REPAIR-System anderen Forschergruppen kostenlos zur Verfügung zu stellen, wie es bereits mit den frühen CRISPR/Cas-Systemen geschehen ist. /
