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DNA-Rekombination zur gezielten Pflanzenzüchtung

Hat die Evolution das Glücksspiel erfunden? Während der Entstehung von Spermien und Eizellen werden jedenfalls die mütterlichen und väterlichen Gene zufällig durcheinandergewürfelt, damit neue Kombinationen von Merkmalen entstehen. Was sind die molekulargenetischen Mechanismen hinter dieser sogenannten DNA-Rekombination? Und kann man sie gezielt einsetzen, um ertragreichere Pflanzen zu züchten? Prof. Dr. Holger Puchta und sein Team vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) untersuchen die Prozesse rund um das Aufschweißen, Entwinden, Überkreuzen und Neuverschmelzen von Erbgutsträngen in Mutanten der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana). Merkwürdigerweise haben sie es auch mit Brustkrebsgenen zu tun.

Crossing-over, so nennen Biologen den Prozess, bei dem sich das mütterliche und das väterliche Chromosom in den Vorläuferzellen von Spermium und Eizelle während der Reifeteilung an einigen Stellen überkreuzen und große DNA-Abschnitte, die Gengruppen tragen, austauschen. Diese Neuwürfelung ist entscheidend für die Anpassung einer Art an sich verändernde Umweltbedingungen wie aufkommende Hitze oder die sukzessive Übersäuerung eines Bodens. Denn durch die Neukombination von Merkmalen können Individuen entstehen, die besser mit einer neuen Situation umgehen können. Wie aber kommt es zur Überkreuzung von Erbgutsträngen? Und wie lösen sich bestehende Bindungen im DNA-Molekül, wie entstehen neue? „Fragen, die auch bei Prozessen der Reparatur von DNA-Strangbrüchen eine entscheidende Rolle spielen“, sagt Prof. Dr. Holger Puchta vom Botanischen Institut II am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). „Findet man auf diese Fragen Antworten, so könnte dieses Wissen irgendwann auch medizinisch oder biotechnologisch umgesetzt werden.“

Der Heilige Gral der Züchter

Eine Blüte des Modellorganismus Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana). © Prof. Dr. Holger Puchta

Die sogenannte DNA-Rekombination findet während der Entwicklung von Geschlechtszellen - soweit es Forscher heute beurteilen können - an zufälligen Stellen im Genom statt. Die Evolution würfelt und schaut wartend zu, welches ihrer Experimente überlebt. Puchta und sein Team fragen jedoch, ob die Mechanismen hinter der Rekombination auch gezielt eingesetzt werden könnten - für Züchter im landwirtschaftlichen Bereich etwa wäre das der Heilige Gral. Denn seit jeher ist es ihr Ziel, Pflanzen durch Kreuzungen gegen Hitze, Übersalzung oder Fressfeinde zu schützen oder ertragreicher zu machen. Die Forscher aus Karlsruhe versuchen daher zu verstehen, wie das Erbgut in Zellen ihres Modellorganismus Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand) aufgeschlossen und entwunden wird, welche Enzyme die Neuverknüpfung von DNA-Molekülen vermitteln und auf welche Weise aus den überkreuzten Stellen wieder zwei getrennte Chromosomen werden. „In einem ersten Schritt sind wir immer auf der Suche nach Genen, die im defekten Zustand Mutanten hervorbringen, bei denen bestimmte Teilschritte der DNA-Rekombination nicht mehr funktionieren", sagt Puchta.

Eines von solchen Genen hätten Forscher bei ihren Grünlingen zunächst nicht vermutet: das Brustkrebsgen BRCA2. Dieses Gen wurde bei Säugetieren inklusive des Menschen gefunden, weil eine geschädigte Form die Entstehung von Brustkrebs fördert. Weitere Forschung zeigte, dass das Produkt des BRCA2-Gens normalerweise hilft, Schäden in der DNA zu reparieren, die durch zufällige Brüche etwa im Zusammenhang mit UV-Strahlung oder Chemikalien spontan auftreten können. „Ist dieses Gen defekt oder fehlt es ganz, dann werden Brüche im Erbgutmolekül nicht mehr repariert und es treten Mutationen auf, die schließlich zur Entartung von Zellen und zu Krebs führen können", erklärt Puchta. Es war eine Offenbarung, als im Jahr 2003 Burstkrebsgene bei Pflanzen gefunden wurden. Denn nun war es möglich, die molekularen Mechanismen ihrer Wirkung genau zu studieren. Versuchen Forscher diese Gene bei tierischen Modellorganismen mit genetischen Methoden auszuschalten, sterben die betroffenen Embryonen schnell ab, pflanzliche Embryonen hingegen sind überlebensfähig.

Gezielt mit molekularen Scheren hantieren

Arabidopsis thaliana in der Meiose. Blaugefärbt ist die DNA, die roten Punkte stellen Orte da, an denen ein an der meiotischen Rekombination beteiligtes Protein (DMC1) zu finden ist, grün markiert ist ein strukturelles Protein, das im Bereich der aneinander gelagerten mütterlichen und väterlichen Chromosomen auftritt. © Prof. Dr. Holger Puchta

Durch gezieltes Ausschalten von BRCA2 sowie weitere Manipulationen am DNA-Reparatursystem in der Ackerschmalwand konnten Puchta und sein Team zeigen, dass das Gen in Pflanzen nicht nur eine Stabilität des Genoms vermittelt, sondern auch für die Vererbung notwendig ist. Sie fanden außerdem weitere Proteine, die im Prozess der Reparatur mit Brustkrebsgenen interagieren. Momentan analysieren die Forscher, ob diese Netzwerke aus Interaktionspartnern auch in Geschlechtszellen, also bei der fortpflanzungsrelevanten DNA-Rekombination, eine Rolle spielen. In diesem Zusammenhang werden neben den Brustkrebsgenen, deren Erforschung auch im medizinischen Bereich fruchtbar werden könnte, weitere Kandidaten untersucht, die rund um die molekularen Prozesse der DNA-Rekombination eine Rolle spielen. Etwa RecQ-Helicasen, die helfen, das Erbgut zu entwinden und im Menschen bei Ausfall zur Entstehung unterschiedlicher Erbkrankheiten führen können.

„Um solche Experimente aber überhaupt durchführen zu können, mussten wir lernen, gezielt ins Erbgut unserer Zellen einzugreifen", sagt Puchta. Der Biochemiker hat vor rund 20 Jahren als erster Forscher weltweit bei Pflanzen Enzyme verwendet, die es erlauben, gezielte Brüche im Erbgut zu erzeugen und an diesen Stellen neu Gene einzuführen. Mit Hilfe dieser „molekularen Scheren" konnte seine Gruppe in den letzten Jahren die Mechanismen der Reparatur von Doppelstrangbrüchen in der DNA beleuchten. Puchta und sein Team haben auch die Technik des sogenannten Gene Targeting perfektioniert. Mit ihrer Hilfe könnte es schon bald möglich werden, mit molekularen Scheren genau definierte Gene im Genom unterschiedlichster Pflanzen anzuvisieren, die dann gezielt verändert werden oder an deren Stelle dann Gene aus anderen Pflanzen eingesetzt werden können.

Im Bereich der Genmanipulation, so Puchta, liege auch das große biotechnologische Potenzial seiner Forschung. Im diesem Zusammenhang hat er im Jahr 2011 vom European Research Council (ERC) einen der begehrten ERC-Grants erhalten, die eine unabhängige Arbeit an einem besonders vielversprechenden Projekt erlauben: „Mit Hilfe von molekularen Scheren soll nun die Vererbung selbst gesteuert und Gene, die Resistenzen gegenüber Hitze, Schwermetallen oder Fressfeinden vermitteln oder für schnelleres Wachstum sorgen, von Wild- auf Kulturarten übertragen werden", so Puchta. „Und das Beste ist, dass das nichts mit den üblichen und heute so verteufelten Transgenen zu tun hätte, denn es würde sich nicht um künstlich hergestellte Gene handeln, sondern um solche, die von der Natur bereits erfunden worden sind und lediglich neu kombiniert werden. Genauso wie die Natur das ja in der geschlechtlichen Fortpflanzung selbst - wenn auch ungerichtet - tut." Gezielte Evolution also, mit der Züchter viel schneller ans Ziel kämen. Momentan ist das noch Zukunftsmusik. Aber die Förderung durch die EU zeigt, dass das Potenzial durchaus real ist.

Glossar

  • Biotechnologie ist die Lehre aller Verfahren, die lebende Zellen oder Enzyme zur Stoffumwandlung und Stoffproduktion nutzen.
  • Chromosomen sind die unter dem Mikroskop sichtbaren Träger der Erbanlagen. Die Anzahl der im Zellkern vorhandenen Chromosomen ist artspezifisch. Beim Menschen sind es zweimal 23. Mit Ausnahme der Geschlechtschromosomen liegen Chromosomen in Körperzellen sowie in befruchteten Eizellen paarweise als sog. homologe Chromosomen vor. In den Keimzellen ist nach Abschluss der Reifungsteilungen nur ein einfacher Chromosomensatz vorhanden.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Das Genom ist die gesamte Erbsubstanz eines Organismus. Jede Zelle eines Organismus verfügt in Ihrem Zellkern über die komplette Erbinformation.
  • Mit dem Begriff Mutation wird jede Veränderung des Erbguts bezeichnet (z. B. Austausch einer Base; Umstellung einzelner DNA-Abschnitte, Einfügung zusätzlicher Basen, Verlust von Basen oder ganzen DNA-Abschnitten). Mutationen kommen ständig in der Natur vor (z. B. ausgelöst durch UV-Strahlen, natürliche Radioaktivität) und sind die Grundlage der Evolution.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Die Rekombination ist der Vorgang, bei dem DNA neu kombiniert wird. Als natürlicher Prozess findet Rekombination bei der geschlechtlichen Vermehrung während der Meiose statt. Bei der In-vitro-Rekombination werden mit Hilfe molekulargenetischer Methoden DNA-Abschnitte unterschiedlicher Herkunft miteinander verknüpft.
  • Arabidopsis thaliana ist der wissenschaftliche Name für die Acker-Schmalwand; diese war im Jahr 2000 die erste Pflanze, deren Genom vollständig bekannt wurde. Aufgrund ihres kleinen Genoms mit 5 Chromosomenpaaren (mit ca. 25 000 Genen) ist sie eine der wichtigsten Modellorganismen der Pflanzengenetik.
  • Als Target (engl.:Ziel) werden Biomoleküle bezeichnet, an die Wirkstoffe binden können. Targets können Rezeptoren, Enzyme oder Ionenkanäle sein. Die Interaktion zwischen Wirkstoff und Target löst eine Wirkstoff-Target-spezifische Reaktion aus. Die Identifikation eines Targets ist für die biomedizinische und pharmazeutische Forschung von großer Bedeutung. Erkenntnisse über spezifische Wechselwirkungen helfen grundlegende molekularbiologische Vorgänge zu verstehen und neue Angriffpunkte für Arzneimittel zu identifizieren.

Glossar

  • Biotechnologie ist die Lehre aller Verfahren, die lebende Zellen oder Enzyme zur Stoffumwandlung und Stoffproduktion nutzen.
  • Chromosomen sind die unter dem Mikroskop sichtbaren Träger der Erbanlagen. Die Anzahl der im Zellkern vorhandenen Chromosomen ist artspezifisch. Beim Menschen sind es zweimal 23. Mit Ausnahme der Geschlechtschromosomen liegen Chromosomen in Körperzellen sowie in befruchteten Eizellen paarweise als sog. homologe Chromosomen vor. In den Keimzellen ist nach Abschluss der Reifungsteilungen nur ein einfacher Chromosomensatz vorhanden.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Das Genom ist die gesamte Erbsubstanz eines Organismus. Jede Zelle eines Organismus verfügt in Ihrem Zellkern über die komplette Erbinformation.
  • Mit dem Begriff Mutation wird jede Veränderung des Erbguts bezeichnet (z. B. Austausch einer Base; Umstellung einzelner DNA-Abschnitte, Einfügung zusätzlicher Basen, Verlust von Basen oder ganzen DNA-Abschnitten). Mutationen kommen ständig in der Natur vor (z. B. ausgelöst durch UV-Strahlen, natürliche Radioaktivität) und sind die Grundlage der Evolution.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Die Rekombination ist der Vorgang, bei dem DNA neu kombiniert wird. Als natürlicher Prozess findet Rekombination bei der geschlechtlichen Vermehrung während der Meiose statt. Bei der In-vitro-Rekombination werden mit Hilfe molekulargenetischer Methoden DNA-Abschnitte unterschiedlicher Herkunft miteinander verknüpft.
  • Arabidopsis thaliana ist der wissenschaftliche Name für die Acker-Schmalwand; diese war im Jahr 2000 die erste Pflanze, deren Genom vollständig bekannt wurde. Aufgrund ihres kleinen Genoms mit 5 Chromosomenpaaren (mit ca. 25 000 Genen) ist sie eine der wichtigsten Modellorganismen der Pflanzengenetik.
  • Biochemie ist die Lehre von den chemischen Vorgängen in Lebewesen und liegt damit im Grenzbereich zwischen Chemie, Biologie und Physiologie.
  • Die Molekularbiologie beschäftigt sich mit der Struktur, Biosynthese und Funktion von DNA und RNA und und deren Interaktion miteinander und mit Proteinen. Mit Hilfe von molekularbiologischen Daten ist es zum Beispiel möglich, die Ursache von Krankheiten besser zu verstehen und die Wirkungsweise von Medikamenten zu optimieren.
  • Als Target (engl.:Ziel) werden Biomoleküle bezeichnet, an die Wirkstoffe binden können. Targets können Rezeptoren, Enzyme oder Ionenkanäle sein. Die Interaktion zwischen Wirkstoff und Target löst eine Wirkstoff-Target-spezifische Reaktion aus. Die Identifikation eines Targets ist für die biomedizinische und pharmazeutische Forschung von großer Bedeutung. Erkenntnisse über spezifische Wechselwirkungen helfen grundlegende molekularbiologische Vorgänge zu verstehen und neue Angriffpunkte für Arzneimittel zu identifizieren.
Seiten-Adresse: https://www.biooekonomie-bw.de/de/fachbeitrag/aktuell/dna-rekombination-zur-gezielten-pflanzenzuechtung/