MADRID, 28. Juni (EUROPA PRESS) –
Ein Forscherteam am Arc Institute (USA) hat einen Sprung nach vorn in der Gentechnik gemacht und den Brückenrekombinase-Mechanismus entdeckt, ein präzises und leistungsstarkes Werkzeug zur programmierbaren Rekombination und Neuanordnung von DNA.
Die in „Nature“ veröffentlichte Studie von Forschern der Universität Berkeley (USA) berichtet über die Entdeckung der ersten DNA-Rekombinase, die eine nicht-kodierende RNA für die spezifische Sequenzauswahl von Ziel- und Spender-DNA-Molekülen nutzt. Diese RNA-Brücke ist programmierbar, sodass der Benutzer jede gewünschte genomische Zielsequenz und jedes einzufügende Spender-DNA-Molekül angeben kann.
„Das RNA-Brückensystem ist ein grundlegend neuer Mechanismus für die biologische Programmierung“, berichtet Hsu, Hauptautor der Studie und Hauptforscher am Arc Institute und Assistenzprofessor für Bioingenieurwesen an der UC Berkeley in den USA. „Überbrückende Rekombination kann genetisches Material durch sequenzspezifische Insertion, Exzision, Inversion und mehr universell verändern und so eine Textverarbeitung für das lebende Genom über CRISPR hinaus ermöglichen.“
Der leitende Arc-Wissenschaftler Matthew Durrant und der Bioingenieurstudent Nick Perry von der UC Berkeley waren Hauptautoren der Entdeckung. Die Forschung wurde in Zusammenarbeit mit den Labors von Silvana Konermann, Hauptforscherin am Arc Institute und Assistenzprofessorin für Biochemie an der Stanford University (USA), und Hiroshi Nishimasu, Professorin für Strukturbiologie an der Universität Tokio (Japan), entwickelt.
Das überbrückende Rekombinationssystem basiert auf Elementen der Insertionssequenz 110 (IS110), einer von unzähligen Arten transponierbarer Elemente – oder springender Gene –, die sich durch Ausschneiden und Einfügen innerhalb und zwischen mikrobiellen Genomen bewegen. Transponierbare Elemente kommen in allen Lebensformen vor und haben sich zu professionellen DNA-Manipulationsmaschinen zum Überleben entwickelt. Die IS110-Elemente sind minimal und bestehen lediglich aus einem Gen, das das Rekombinase-Enzym kodiert, sowie flankierenden DNA-Segmenten, die bisher ein Rätsel bleiben.
Hsus Labor entdeckte, dass sich die Enden der nichtkodierenden DNA verbinden, wenn IS110 aus einem Genom herausgeschnitten wird, um ein RNA-Molekül (die RNA-Brücke) zu bilden, das sich in zwei Schleifen faltet. Eine Schleife bindet an das IS110-Element selbst, während die andere Schleife an die Ziel-DNA bindet, wo das Element eingefügt wird. Bridging RNA ist das erste Beispiel eines bispezifischen Leitmoleküls, das die Sequenz von Ziel- und Donor-DNA durch Basenpaarungswechselwirkungen festlegt.
Jede Schleife der Brücken-RNA ist unabhängig programmierbar, sodass Forscher jede gewünschte DNA-Sequenz mit dem Ziel und dem Spender kombinieren und abgleichen können. Dies bedeutet, dass das System weit über seine natürliche Funktion des Einfügens des IS110-Elements hinausgehen kann und stattdessen das Einfügen jeder gewünschten genetischen Ladung, beispielsweise einer funktionellen Kopie eines defekten krankheitsverursachenden Gens, an jeder Stelle des Genoms ermöglicht. In dieser Arbeit demonstrierte das Team eine Insertionseffizienz eines gewünschten Gens in E. coli von mehr als 60 % mit einer Spezifität von mehr als 94 % für den richtigen genomischen Ort.
„Diese programmierbaren Brücken-RNAs unterscheiden IS110 von anderen bekannten Rekombinasen, denen eine RNA-Komponente fehlt und die nicht programmiert werden können“, bemerkt Doktorand Nick Perry. „Es ist, als wäre die RNA-Brücke ein universeller Netzadapter, der den IS110 mit jeder Steckdose kompatibel macht.“
Die Entdeckung des Hsu-Labors wird durch die Zusammenarbeit mit dem Labor von Dr. Hiroshi Nishimasu an der Universität Tokio ergänzt, die ebenfalls in „Nature“ veröffentlicht wurde. Nishimasus Labor verwendete Kryo-Elektronenmikroskopie, um die molekularen Strukturen des Rekombinase-Brücken-RNA-Komplexes zu bestimmen, der an Ziel- und Spender-DNA gebunden ist, und durchlief nacheinander wichtige Schritte des Rekombinationsprozesses.
Mit weiterer Erforschung und Entwicklung verspricht der Brückenmechanismus die Einführung einer dritten Generation RNA-gesteuerter Systeme, die über die DNA- und RNA-Schneidemechanismen von CRISPR und RNA-Interferenz (RNAi) hinausgehen und einen einheitlichen Mechanismus für programmierbare DNA-Umlagerungen bieten. Von entscheidender Bedeutung für die weitere Entwicklung des Brückenrekombinationssystems für die Gentechnik von Säugetieren ist die Brückenrekombinase, die beide DNA-Stränge verbindet, ohne geschnittene DNA-Fragmente freizusetzen, wodurch eine wesentliche Einschränkung der Genombearbeitungstechnologien der nächsten Generation vermieden wird.
„Der überbrückende Rekombinationsmechanismus löst einige der grundlegendsten Herausforderungen, mit denen andere Genombearbeitungsmethoden konfrontiert sind“, schließt Forschungskoleiter Durrant. „Die Fähigkeit, zwei DNA-Moleküle programmierbar neu anzuordnen, öffnet die Tür zu Fortschritten im Genomdesign.“
