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Erweiterter Werkzeugkasten zur Geneditierung

Forschung, Bioscience |

Neue Methode macht Platz für gezielte DNA-Einschübe: Die derzeit vielseitigste Methode der Geneditierung ist Prime Editing, eine Weiterentwicklung der Genschere CRISPR/Cas9. Einer der Engpässe dieser Methode ist jedoch das effiziente Einfügen neuer längerer DNA-Sequenzen, da das ursprüngliche DNA-Stück dabei verdrängt werden muss. Forschende der Technischen Universität München (TUM) und von Helmholtz Munich haben nun eine Lösung entwickelt, um das ursprüngliche Stück DNA gezielt abzubauen und so Platz für das neue Stück zu schaffen.

Forschende haben eine Methode entwickelt, um beim Prime Editing alte DNA-Abschnitte gezielt abzubauen und so Platz für das Einfügen neuer DNA-Sequenzen zu schaffen. Bild: Moritz Hocher

Mit der Genschere CRISPR/Cas9 können Forschende Gene gezielt, schnell und einfacher als mit früheren Geneditierungsansätzen bearbeiten. Forschende entwickeln die Methode stetig weiter, 2019 haben Wissenschaftler:innen ein Nachfolgemodell veröffentlicht: Prime Editing (PE), die aktuelle Königsklasse der Geneditierung. Mit Prime Editing können Genveränderungen wie das Hinzufügen, Ersetzen oder Entfernen einzelner DNA-Bausteine mit hoher Präzision durchgeführt werden.

Wie bei CRISPR/Cas9 dockt auch beim Prime Editing eine winzige molekulare Bearbeitungsmaschine an einer gezielten Stelle im Erbgut an. Sie entwindet den DNA-Doppelstrang und schneidet die DNA an einer bestimmten Stelle durch. Im Gegensatz zu CRISPR/Cas9 muss beim Prime Editing jedoch nur einer der beiden Stränge durchtrennt werden. Das macht das System grundsätzlich sicherer.

Die Editierungsmaschine bringt eine RNA-Vorlage mit, in der die gewünschte Veränderung kodiert ist. Das ebenfalls im Komplex enthaltene Enzym Reverse Transkriptase kann dann die Vorlage direkt an der richtigen Stelle im Erbgut in die gewünschte DNA umschreiben.

Erweiterte Maschinerie baut altes DNA-Stück ab

„Eine der größten Schwierigkeiten war bisher der nächste Schritt“, erklärt Julian Geilenkeuser, einer der beiden Erstautoren der Studie. „Jetzt liegen zwei DNA-Stücke vor, das ursprüngliche und das neu synthetisierte, das die gewünschte Veränderung enthält. Nur wenn das alte Stück verdrängt und das neue eingebaut wird, kann die Veränderung langfristig erhalten bleiben“.

Ein Team unter der Leitung von Gil Gregor Westmeyer, Professor für Neurobiological Engineering an der TUM und Direktor des Instituts für Synthetische Biomedizin bei Helmholtz Munich, hat nun einen neuen Ansatz entwickelt. Die Forschenden haben eine weitere Komponente in die Editierungsmaschinerie integriert: eine Exonuklease, ein Protein, das DNA abbaut. Es ist über einen molekularen Adapter mit der Maschinerie verbunden. Das Protein baut das nicht mehr benötigte Stück des Originalstrangs gezielt ab und schafft so Platz für das neu synthetisierte DNA-Stück, das die Editierung enthält.

Mehr Möglichkeiten durch verbesserte Maschinerie

„Diese neue, durch Exonukleasen verstärkte Prime Editing Strategie „Exo-PE“ ist beim Einbau von neuen DNA-Stücken mit einer Länge von mehr als 30 Basenpaaren wesentlich effizienter als die bekannte Editing Strategie „PE2“. Mit dieser Methode ist es möglich, auch längere DNA-Stücke in Zellen einzubauen ohne dass ein DNA-Doppelstrangbruch notwendig ist“, sagt Dr. Dong-Jiunn Jeffery Truong, einer der beiden Erstautoren der Studie.  Damit erweitern die Forschenden den Werkzeugkasten der Geneditierung um ein wichtiges Instrument.

„Die Exo-PE Methode bringt uns einen Schritt näher, systematisch Varianten von Genprodukten auch in nicht-teilenden Zellen wie Nerven- oder Herzzellen zu erzeugen, um sie in der Grundlagenforschung besser zu untersuchen und möglicherweise auch Optionen für die Korrektur längerer Gensequenzen zu entwickeln“, sagt Gil Westmeyer.
 

PUBLIKATION

D.J. J. Truong, J*. Geilenkeuser*, S.V. Wendel, J.C. Heinrich Wilming, N. Armbrust, E. Binder, T. Heinrich Santl, A. Siebenhaar, C. Gruber, T. Phlairaharn, M. Živanić, G.G. Westmeyer: Exonuclease-enhanced prime editors, Nature Methods (2024), DOI: 10.1038/s41592-023-02162-w
*Beide Autoren haben gleichermaßen zur Studie beigetragen.

Research Briefing, Nature Methods (2024)
 

WEITERE INFORMATIONEN

  • Prof. Gil Gregor Westmeyer forscht am Munich Institute of Biomedical Engineering (MIBE), einem Integrativen Forschungsinstitut der TUM. Am MIBE entwickeln und verbessern Forschende aus der Medizin, den Natur- und Ingenieurwissenschaften und der Informatik gemeinsam Verfahren zur Prävention, Diagnose und Behandlung von Krankheiten. Die Aktivitäten reichen von der Untersuchung grundlegender wissenschaftlicher Prinzipien bis zu deren Anwendung in medizinischen Geräten, Medikamenten oder Computerprogrammen.
  • Die Arbeit wurde gefördert vom Munich Multiscale Biofabrication Network, das Teil des ONE MUNICH Strategy Forums ist, in dem TUM und LMU gemeinsame Initiativen zu großen Zukunftsfragen und -feldern identifizieren und fördern. Das ONE MUNICH Strategy Forum wird unterstützt durch die Hightech Agenda Bayern.
    Gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und dem Freistaat Bayern im Rahmen der Exzellenzstrategie von Bund und Ländern.
     

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Professur für Neurobiological Engineering
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