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Alt 07.10.2012, 20:50   #1   Druckbare Version zeigen
Godwael Männlich
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Die TALEN-Revolution - warum die Gentechnik erst jetzt richtig losgeht - Biochemie und Molekularbiologie

Bisher galt ja in der Biotechnologie die Regel: Ein Genom mal eben nach Belieben umschreiben is' nicht. Pflanzen und Tiere gentechnisch zu verändern ist aufwendig, ziemlich unspezifisch und hinterlässt meistens auch unschöne Spuren im Genom, Selektionskassetten und dergleichen. Bis jetzt jedenfalls. Doch seit 2011 arbeiten immer mehr Molekularbiologen mit einem neuen Werkzeug, das die bisherigen Methoden aussehen lässt wie ein rostiges Küchenmesser neben einem Mikroskalpell.

Das neue Spielzeug nennt sich TALEN, Transcription Activator-like Effector Nucleases[1] - ein effektives molekulares Skalpell, das ein Genom gezielt an einer beliebigen Stelle zerschneidet, so dass man anschließend gezielt einfügen kann, was immer man will. Und das hat dramatische Konsequenzen für die gesamte Biotechnologie - zu allererst für die grüne Gentechnik, aber auch für die Grundlagenforschung, für Stammzelltechniken und genetische Veränderungen am Menschen.

Der Trick der TALEN basiert auf einer Proteinklasse namens Transcription Activator-like Effector (TALE) - diese Moleküle besitzen einen eigenen Code, der 1:1 zu den Nucleobasen des Erbgutes passt und den ein deutsches Forscherteam vor ein paar Jahren im Genom von Xanthomonas-Pflanzenpathogenen entdeckten.

Der TALE-Code

Dieser Code ist der Clou: Andere DNA-bindende Proteine sind so geformt, dass sie zu einem bestimmten Genabschnitt passen. Aber wenn man in dieser Sequenz eine Base austauscht, passen sie nicht mehr, und man kann das Protein auch nicht einfach an ein, zwei Stellen verändern, damit es wieder passt. Es gibt kein direktes Verhältnis zwischen Proteinstruktur und der DNA-Sequenz, zu der sie passt. Selbst für eine minimal andere Sequenz braucht man ein völlig neues Protein.



Das Prinzip von TALENs: Die TALE-Einheiten docken an spezifische DNA-Sequenzen an, die Nuclease in der Mitte schneidet dann den Doppelstrang. Bild: Nature Methods

Beim TALE-Code ist das anders - ein TALE besteht aus wiederholten Aminosäure-Sequenzen, die an einer ganz spezifischen Stelle variabel sind, und es gibt vier unterschiedliche TALE-Repeats. Na so ein Zufall. Jede dieser leicht unterschiedlichen Sequenzen passt auf eine andere der vier Nucleobasen. Und wenn im Genom eine andere Base ist, tauscht man im TALE einen Repeat gegen einen anderen, und es passt wieder. Oder man baut einfach einen völlig neuen TALE mit der gewünschten Abfolge von Repeats - dank des TALE-Codes kann man jedoch zu jeder beliebigen Gensequenz sofort das passende Molekül erzeugen. Eine echte Revolution.

Auf diese Weise spezifisch DNA-bindende Moleküle herstellen zu können ist für sich genommen schon ein immenser Forschritt. Aber was die Welt der Biotechnologie auf den Kopf stellt, ist das N in TALEN: Die maßgeschneiderten Moleküle sind an eine Nuclease gekoppelt. Diese Konstrukte aus Erkennungssequenz und Enzym setzt man paarweise ein, so dass man am DNA-Strang das Konstrukt TALE-Nuclease-TALE erhält. Und die Nuclease zerschneidet das Erbgut genau an der Stelle zwischen den beiden Erkennungssequenzen.

Nicht zu detektierende Veränderungen

Die Zelle merkt das natürlich und repariert den Schaden prompt. Der Witz daran ist, dass man ihr dabei mühelos kleinere und größere Veränderungen unterjubeln kann, indem man die Homologe Rekombination ausnutzt. Dabei wird der DNA-Strang geflickt, indem die Bruchstelle eines Einzelstranges an eine dazu passende Sequenz angelagert wird, die die Lücke überbrückt. Die Lücke füllen Reparaturproteine mit Sequenzen, die zu dem Einzelstrang komplementär ist. Wenn man nun dafür sorgt, dass parallel zum TALEN-induzierten Strangbruch passende Einzelstränge in der Nähe sind, kann man dort, wo der Bruch stattfand, so ziemlich alles mögliche ins Genom hineinschreiben - einfach indem man es in den Einzelstrang einbaut. Den Rest macht die Zelle.

Die TALEN können im Prinzip, was bei Pflanzen und Tieren bisher nicht möglich war: Das Genom editieren wie mit einem Textverarbeitungsprogramm. Das Ergebnis ist ein Genom, das exakt so aussieht wie vorher, nur mit der gezielten Veränderung an der gewünschten Stelle. Mehrfach- oder Fehleinbauten, Selektionsgene oder andere Artefakte, die bei den bisherigen Methoden an der Tagesordnung sind, kommen bei den TALENs schon prinzipbedingt kaum vor. Wenn man nicht gerade ein komplettes fremdes Gen einbaut, unterscheidet sich das Ergebnis in keiner Weise von einem durch natürliche Selektion entstandenen Organismus - es ist, wie Zeit Online es so schön formuliert hat, naturidentisch.

Nach den bisherigen Ergebnissen scheint die Methode erstaunlich effektiv zu sein: In Zellkulturen werden mit der Methode zweistellige Prozentzahlen der Zellen transformiert, in lebenden Organismen immerhin ein paar Prozent - genug, dass ein beträchtlicher Teil der so behandelten Tiere die Veränderung über die Keimbahn weitergibt. Man sieht in den Veröffentlichungen zwar auch, dass das Verfahren aus bisher unbekannter Ursache nicht immer so gut klappt, aber in einem der Stammzell-Papers haben von 96 quasi am Fließband hergestellten TALENs 87 Prozent den gewünschten Knock-Out erzeugt. Und die Bemühungen, TALENs für bestimmte Anwendungen zu optimieren, stehen ja erst am Anfang.

Nun würde man ja erwarten, dass eine so neue Methode kompliziert und teuer ist. Ist sie aber nicht. TALENs kann man einfach und in großen Mengen herstellen, chemisch oder rekombinant, wahrscheinlich bestellt man einfach die gewünschte Sequenz für ein paar hundert Euro bei spezialisierten Lieferanten.

Die Zukunft: Erstaunliche Perspektiven und offene Fragen

Ganz neu im TALEN-Club: Der Zebrabärbling.


Das Bemerkenswerte ist, dass man keine Kerntransfer-Protokolle oder ES-Zellen oder dergleichen braucht, um veränderte Organismen herzustellen. Man injiziert das TALEN-System einfach in den Embryo. Oder, früher oder später, in ausgewachsene Organismen. Die hohe Präzision und Effektivität der TALENS rückt sogar Gentherapien an Menschen in Reichweite, die bisher eben wegen des Zufallsfaktors nicht möglich oder extrem riskant waren.

Inzwischen sind haufenweise Veröffentlichungen erschienen, die das enorme Potenzial der TALEN ahnen lassen. Beim Zebrafisch, einem wichtigen Modellorganismus, war es bisher nicht möglich, das Genom gezielt und effektiv zu modifizieren - gerade ist ein Nature-Paper herausgekommen, das diese Lücke mit einem TALEN-System schließt. Bei Ratten hat man das schon 2011 gemacht, bei menschlichen Stammzellen sowieso. Wie weit sich das Spielchen treiben lässt, wo die Grenzen der Methode sind und vor allem, wo der Haken an der Geschichte ist[2], muss sich alles noch zeigen, aber das was man bisher sieht, ist extrem eindrucksvoll. Fast zu gut, um wahr zu sein.

Und es ist ja erst der Anfang.

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via Volker Stollorz und Frankfurter Allgemeine Sonntagszeitung (Artikel nicht online verfügbar).

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[1] Tatsächlich gibt es eine zweite Klasse vergleichbarer Moleküle, die Zinkfinger-Nucleasen. Die sind aber nicht so schön einfach zu basteln wie TALENs und haben ein paar andere Nachteile, so dass sie wohl nur eine untergeordnete Rolle spielen werden.

[2] Eine Frage, die sich aufdrängt ist, ob die Off-Target-Aktivität tatsächlich so gering ist wie es jetzt den Anschein hat, und wieviele Versuche nicht funktioniert haben, die halt nicht publiziert wurden. Da muss noch systematisch dran gearbeitet werden. Kann durchaus passieren, dass die ZFN doch die Nase vorn haben.



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Quelle: Fischblog - Wissenschaft für alle
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