⇧ [VIDÉO] Dieser Partnerinhalt könnte Ihnen auch gefallen
Forscher haben eine neue Technik zur Genbearbeitung entwickelt, um das Genom vollständig umzugestalten. Das sogenannte „Bridge-Editing“ ermöglicht es unter anderem, weitaus größere Veränderungen herbeizuführen, als dies derzeit mit der CRISPR-Technik möglich ist, insbesondere durch das direkte Einfügen neuer DNA-Sequenzen in das Genom. Dies verleiht ihm ein Maß an Präzision, das mit aktuellen Bearbeitungstechniken noch nie erreicht wurde.
RNA-gesteuerte Systeme haben unser Verständnis des Genoms revolutioniert. Zu diesen Systemen gehört die Gen-Editing-Technik CRISPR, die als molekulare „Schere“ fungiert, die von Leit-RNAs (gRNAs) gesteuert wird. Die Technik ermöglicht unter anderem das Schneiden und Modifizieren einer bestimmten genetischen Sequenz durch Personalisierung der gRNA.
Der gesamte Prozess wird durch das CRISPR-Protein Cas vermittelt. Der Begriff Cas bezieht sich auf eine Nuklease, die an eine kurze CRISPR-RNA (crRNA) bindet und auf die relevanten DNA- oder RNA-Sequenzen abzielt. Die Endonukleasen Cas9 und Cas12 spalten DNA, während Cas13 RNA spaltet. Wenn das molekulare Werkzeug die Zielsequenz spaltet, löst die Zelle systematisch einen Reparaturprozess aus. Die Spaltung wird wiederholt durchgeführt, bis die Zelle auf natürliche Weise mutiert und einen Reparaturfehler auslöst.
Obwohl die CRISPR-Technik es ermöglicht, eine Mutation an bestimmten Stellen auszulösen, ist ihre Präzision relativ begrenzt. Es schneidet und beschädigt Zielsequenzen, um sie zu inaktivieren, was es eher zu einer destruktiven Technik als zu einer Bearbeitungstechnik macht.
Um Abhilfe zu schaffen, wurden verbesserte Versionen von CRISPR vorgeschlagen, die es beispielsweise ermöglichen, Zielsequenzen direkt zu modifizieren, anstatt sich auf Reparatur-Mutations-Zyklen zu verlassen. Einige ermöglichen die Modifikation von Nukleotidbasen, ohne den Spaltungsprozess zu durchlaufen, während andere die Umwandlung von gRNAs in DNA und das Einfügen in die Zielsequenz ermöglichen. Allerdings bleibt auch hier die Präzision begrenzt.
Ein Team des Arc Institute der University of California in Berkeley, Stanford und Tokio schlägt eine neue programmierbare Bearbeitungstechnik vor, die es ermöglicht, neue DNA-Sequenzen mithilfe von „RNA-Brücken“ – einer neuen Kategorie von Leit-RNAs – direkt in das Genom einzufügen. Dies würde die Präzision der Genbearbeitung mithilfe einer einzigen Insertionssequenz erheblich verbessern.
« Das RNA-Brückensystem ist ein grundlegend neuer Mechanismus für das Genomdesign „, erklärt der Hauptforscher der Studie, Patrick Hsu, ebenfalls Professor für Bioingenieurwesen an der University of California in Berkeley, in einem Blogbeitrag des Arc Institute. „ Die Brückenrekombination kann genetisches Material durch Insertion, Exzision, Inversion spezifischer Sequenzen und mehr universell verändern und ermöglicht so eine effizientere Bearbeitung des lebenden Genoms als CRISPR ».
„Bridge RNA“: ein universeller Adapter, der es ermöglicht, jeden Teil des Genoms anzugreifen
Das vom Team untersuchte neue molekulare Editierungssystem wurde in Bakterien und Archaeen entdeckt und basiert auf einer Sequenz namens „Insertion 110 (IS110)“. Es ist Teil eines großen Satzes transponierbarer Sequenzen (oder „springender Gene“), die schneiden, sich innerhalb des Genoms bewegen und dann zwischen zwei spezifischen Strängen haften (oder einfügen).
Diese kurzen Sequenzen sind in den Zellen aller Lebewesen vorhanden und haben sich zu echten Werkzeugen zur Manipulation der DNA entwickelt. Insbesondere IS110 besteht aus einem Gen, das für ein Rekombinase-Enzym kodiert, das für die genetische Rekombination verantwortlich ist. Es handelt sich um einen Prozess, der zur Veränderung der physikalischen Verbindung zwischen zwei DNA-Segmenten führt.
Experten in neuer Studie – veröffentlicht in der Zeitschrift
Natur – nutzte Kryo-Elektronenmikroskopie, um die molekularen Strukturen des RNA-Brücken-Rekombinase-Komplexes zu untersuchen. Sie verliefen stufenweise vom IS110-Spaltungsprozess bis zur Rekombinationsphase.
Sie entdeckten, dass beim Herausschneiden von IS110 aus dem Genom die nichtkodierenden Enden des DNA-Strangs zusammenkommen und zwei verbrückende RNA-Schleifen bilden. Eine der Schleifen bindet an IS110, während die andere an den Zielstrang bindet, wo die neue Sequenz eingefügt wird – was die Brücken-RNA zum ersten Beispiel einer bispezifischen gRNA macht. Die Rekombinase induziert dann den Insertionsprozess.
Andererseits ist jede Brücken-RNA programmierbar, was es ermöglicht, jede beliebige Ziel- und Donor-DNA-Sequenz zuzuordnen. Mit anderen Worten: Das Tool ermöglicht das Einfügen jeder DNA-Sequenz in jede beliebige genomische Zielposition. „ Diese programmierbaren RNA-Brücken unterscheiden IS110 von anderen bekannten Rekombinasen, die keine RNA-Komponente enthalten und nicht programmiert werden können “, erklärt der Co-Hauptautor der Studie, Nicolas Perry, ebenfalls vom Arc Institute und der University of California. Zur Analogie: „Es ist, als ob die ARN-Brücke ein universeller Netzadapter wäre, der IS110 mit jeder Steckdose kompatibel macht“, sagt er.
Siehe auch
Die mobilen genetischen Elemente von IS110 exprimieren eine (nicht-kodierende) ncRNA, die durch ihre kodierte Rekombinase gebunden wird. ASchematische Darstellung der IS110-Rekombinase-Proteinsequenz. BSchematische Darstellung des Aufbaus und Lebenszyklus eines IS110-Elements. CEin mittelwurzeliger phylogenetischer Baum, der aus 1.054 IS110-Rekombinasesequenzen erstellt wurde. DVerteilung der nichtkodierenden Endlängen über acht IS-Familien. tRNA-Sequenzierungs-Abdeckungsdiagramm verketteter nichtkodierender Enden von IS621 und fünf verwandten Orthologen, die von ihrem endogenen Promotor in Bakterien exprimiert werden E coli . FDarstellung einer IS621-Rekombinase, die entweder mit Wildtyp- oder durcheinandergemischter ncRNA fluoreszierend markiert ist, um die Gleichgewichtsdissoziationskonstante zu messen (KD). G, Konsens-Sekundärstruktur von ncRNAs, die aus 103 IS110-Sequenzen konstruiert wurden. ©
Matthew G. Durrant et al.
Genauigkeit von über 94 %
Dieser Mechanismus verleiht dem neuen System ein Maß an Präzision, das mit der CRISPR-Technik nie erreicht werden könnte. Beim Testen von Bakterien Escherichia coliDas Team zeigte, dass die Effizienz beim Einfügen eines bestimmten Gens mehr als 60 % betrug, während die Fähigkeit, es an der richtigen Stelle einzufügen, mehr als 94 % betrug.
Darüber hinaus ermöglicht die Technik die Rekombination zweier DNA-Stränge, ohne deren zuvor gespaltene Enden freizugeben. Diese sogenannten „Narben“-Sequenzen stellen eine erhebliche Einschränkung der derzeit verwendeten genetischen Bearbeitungstechniken dar.
Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die Technik bisher nur an Bakterien getestet wurde und ihre Wirksamkeit bei anderen Zelltypen, einschließlich Menschen, noch bewiesen werden muss. Letztendlich könnte es jedoch den Weg für neue Arten von Gentherapien ebnen. Laut Experten wird sich die zukünftige Forschung auf die Anwendung des Werkzeugs auf menschliche Zellen, die Verbesserung seiner Präzision und Effizienz sowie die Erforschung möglicher zusätzlicher Funktionen konzentrieren.
Erklärvideo zur Studie:
