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17. Februar 2017

Die Gen-Schere der Bakterien

Wenn Molekularbiologen die DNA-Stränge des Erbguts zerschneiden und neu zusammensetzen, nutzen sie dafür heute in der Regel die CRISPR/Cas9-Methode. Dieses überaus nützliche Werkzeug haben die Wissenschafler den Bakterien abgeschaut.

Gerade in der Winterzeit sind sie wieder allgegenwärtig: Viren, die in unseren Körper eindringen und Schnupfen, Husten und andere Erkältungssymptome hervorrufen. Der Mensch ist diesen Attacken nicht hilflos ausgesetzt. Vielmehr verfügt das Immunsystem über scharfe Waffen, um die Eindringlinge so gut wie möglich in Schach zu halten. Bei dieser Abwehrreaktion handelt es sich um einen komplexen Vorgang unter Beteiligung verschiedener Zelltypen. Eine zentrale Rolle kommt dabei weissen Blutzellen (B-Lymphozyten) zu, die beim Kontakt mit körperfremden Antigenen veranlasst werden, Antikörper zu bilden. Durch das Zusammenspiel umfassender Abwehrmechanismen kann das Immunsystem schliesslich den Ausbruch einer Krankheit unterbinden oder zumindest die Schwere ihres Verlaufs abmildern.

Lange Zeit ging man davon aus, dieses ausgefeilte Abwehrsystem sei dem Menschen und anderen höheren Organismen vorbehalten. Forscher haben jedoch herausgefunden, dass auch Bakterien über eine primitive, aber leistungsfähige „Immunabwehr“ verfügen. Deren Komplexität steht zwar hinter jener der Menschen zurück, besticht aber gleichwohl durch ihre Raffinesse: Wird ein Bakterium durch einen viralen Krankheitserreger attackiert, schickt die Abwehr des Bakteriums eine molekulare 'Schere' los. Diese zerschnipselt das Erbgut (DNA-Strang) des Virus' und macht ihm auf diesem Weg den Garaus. Damit aber nicht genug. Vielmehr bewahren die Bakterien die DNA-Schnipsel der Viren auf, indem sie diese in ihre eigene DNA einbauen. Wenn die Bakterien nun bei späterer Gelegenheit wieder von Viren desselben Typs angegriffen werden, nutzen sie die archivierten DNA-Schnipsel zur Abwehr der Eindringlinge. Die Schnipsel leiten dabei die molekulare Schere an den richtigen Ort der Viren-DNA und können so die Viren sehr effizient vernichten. Dank dem Archiv aus Viren-DNA, so glauben Wissenschaftler heute, können sich Bakterien gegen neuerliche Virenangriffe immunisieren. Und weil sie das Viren-DNA-Archiv vererben, sind auch die Nachkommen entsprechend geschützt.

Bakterielle Immunabwehr

Das beschriebene Abwehrsystem führt im DNA-Strang von Bakterien zu einem charakteristischen Muster: Dort sind die Schnipsel aus Viren-DNA ('spacer') zu finden, jeweils unterbrochen von kurzen, identischen DNA-Sequenzen ('repeats'). Für diese Ansammlung von 'repeats' ist unterdessen der Name CRISPR (Abkürzung für: Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) gebräuchlich. Die 'repeats' werden als palindromisch bezeichnet, weil die Basenabfolge der beiden DNA-Einzelstränge spiegelverkehrt verläuft. CRISPR haben die Länge von ca. zwei bis vier Dutzend Basenpaaren, während die eingestreuten 'spacer' zwei bis sechs Dutzend Basenpaare lang sind. Zum Vergleich: Die DNA des Darmbakteriums E. coli besteht aus rund 4,7 Millionen Basenpaaren.

Wissenschaftler haben die Wiederholungen, die heute als CRISPR bezeichnet werden, bereits in den späten 1980er Jahren entdeckt. 2005 wurde dann klar, dass es sich bei den zwischen den 'repeats' eingelagerten DNA-Sequenzen um archivierte Viren-DNA handelt, die Teil einer raffinierten bakteriellen Immunabwehr sind. Jetzt realisierten Molekularbiologen auch, woraus die molekulare 'Schere' besteht, mit der die Bakterien die DNA der angreifenden Viren zerschnipseln: aus dem Protein Cas9. Dieses Protein basiert auf einer Gruppe von Genen, die sich in der Nähe der CRISPR-Sequenz im Bakterien-Erbgut befinden und daher als cas- (für: CRISPR-associated) Gene bezeichnet wurden.

Modernes Werkzeug für Molekularbiologen

Das Immunsystem von Bakterien hat somit gezeigt: Man kann einen kurzen Abschnitt der DNA ablesen (molekularbiologisch geschieht das durch Bildung einer komplementären RNA), und diese 'Leit-RNA' dann nutzen, um eine andere DNA mit der Gen-Schere Cas9 an einer gewünschten Stelle zu zertrennen. Wenn dies möglich ist, könnte man dann das CRISPR/Cas9-System nicht auch zu nutzen, um die DNA von Tieren und Menschen an einer gewünschten Stelle zu zertrennen? Wäre es sogar möglich, daraus ein Werkzeug zu entwickeln, mit dem Molekularbiologen beliebige DNA-Stränge an einem beliebigen Ort präzise schneiden können? Genau dies gelang im Jahr 2012 der Französin Emmanuelle Charpentier und der Amerikanerin Jennifer Doudna. Mit ihrer Nobelpreis-verdächtigen Entdeckung stellten die beiden Wissenschaftlerinnen ein Verfahren zur Verfügung, das in den letzten fünf Jahren die Arbeit der Molekularbiologen weltweit revolutioniert hat.

Dies auch in Basel im Labor von Rolf Zeller, Professor für Anatomie und Embryologie am Departement Biomedizin der Universität Basel. „Wir haben unsere Forschung in den letzten Jahren komplett auf die CRISPR/Cas9-Methode umgestellt“, sagt Rolf Zeller, „Zwar konnten wir auch früher DNA schneiden und neu zusammensetzen, doch mit CRISPR/Cas9 können wir das jetzt präziser, einfacher, schneller und kostengünstiger tun.“ Rolf Zeller war ein junger Student am Biozentrum der Universität Basel, als Werner Arber 1978 für die Entdeckung der Restriktionsenzyme den Medizin-Nobelpreis erhielt. Mit den Restriktionsenzymen war es in den späten 1960er erstmals gelungen, DNA zu schneiden. Diese frühen Gen-Scheren sind gewissermassen die Urahnen der modernen Werkzeuge, die heute unter dem Namen CRISPR/Cas9 eingesetzt werden.

Die Serie "Das neue Versprechen der Gentechnik" erläutert die Funktionsweise der gentechnischen Methode und zeigt ihre medizinischen Anwendungsperspektiven auf. Beim Beitrag "Die Gen-Schere der Bakterien" handelt es sich um den ersten Teil der Serie. Die einzelnen Beiträge erscheinen in loser Folge.

Wissenschaftler arbeiten mit Werkzeug, das sie dem #Immunsystem der #Bakterien abgeschaut haben. http://bit.ly/2lUJmlB #iph
CRISPR/Cas9 Schere
CRISPR/Cas9 Schere beim Schneiden der DNA-Stränge, um den CRM-Genschalter aus dem Genom zu entfernen.
 

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