Programmierbare DNA

Labortechniken, die DNA-Stränge an ganz bestimmten Stellen schneiden können, sind unerlässlich für das Erforschen von Genfunktionen. Bisher benötigte man Proteine, um die gewünschten DNA-Sequenzen erkennen zu können: Ein mühsames und zeitaufwändiges Verfahren. Ein Team um Emmanuelle Charpentier, ehemalige Gruppenleiterin an den Max F. Perutz Laboratories und derzeit Leiterin der Forschungsgruppe am Laboratory for Molecular Infection Medicine Sweden (MIMS) im nordschwedischen Umeå, und Jennifer Doudna, Forschungsgruppenleiterin am Howard Hughes Medical Institute in Berkeley, entdeckte einen RNA-Komplex, mit dem Bakterien das Enzym Cas9 an die gewünschte DNA-Sequenz im Genom heranführen und an einer genau vorgegebenen Stelle die Gene abschalten (gene silencing) können – also den DNA-Strang durchtrennen.

Genome punktgenau trennen

Diesen Komplex haben Charpentier, ihr Doktorand Krzysztof Chylinski (MFPL) sowie Jennifer Doudna und Martin Jinek von der University of California Berkeley zu einem neuen Werkzeug entwickelt. Emmanuelle Charpentier dazu: "Wir können damit das Cas9-System so programmieren, dass es an jeder gewünschten DNA-Sequenz schneidet, um neue genetische Information in eine bakterielle DNA einzuführen. Dieses System ist eine einfache Methode zur Spaltung jeder beliebigen Stelle in einem Genom." Die Mikrobiologin Emmanuelle Charpentier ist an molekularen Mechanismen interessiert, die mit Hilfe der RNA die Gen-Expression beeinflussen können. Sie forscht an der RNA-basierten Immunabwehr in Bakterien, die Genome von eindringenden Viren und Plasmiden erkennt und zerstört.

	Abbildung des natürlichen (links) und veränderten (rechts) RNA-programmierten DNA-Spaltungssystems. (Grafik: H. Adam Steinberg, artforscience.com)

Erleichterung für den Laboralltag

Nachdem es Martin Jinek von der University of California gelungen war, das Cas9-Proteins zu reinigen, verwendete Doktorand Krzysztof Chylinski vom Department für Biochemie und Zellbiologie der Universität Wien (MFPL) diese Proteinprobe für weitere Studien. Er konnte unter Anleitung von Emmanuelle Charpentier zeigen, dass das Enzym Cas9 sowohl crRNA und tracrRNA (dazu gab es 2011 Publikationen in der Fachzeitschrift "Nature") benötigt, um eine fremde DNA erkennen und angreifen zu können. "crRNA- und tracrRNA-Elemente, die für die Cas9-Bindung und DNA-Erkennung notwendig sind, in einem einzigen Molekül zu kombinieren, vereinfacht das System und erleichtert den Laboralltag", erklärt Emmanuelle Charpentier. Das ist den beiden Teams jetzt gelungen.

Anwendung in Biotechnik und Medizin

"Als nächstes wollen meine Kollegin Jennifer Doudna und ich herausfinden, ob wir mit dem neuen RNA-Molekül auch in der Lage sind, RNA-gesteuerte Enzyme in Modellorganismen wie Fadenwürmer und Pflanzen zu programmieren", so Charpentier. Sollte das erfolgreich sein, warten viele praktische Anwendungen auf das neue gentechnische Werkzeug: In der Biotechnik könnte die Produktion von Biokraftstoff durch Mikroorganismen erleichtert werden und in der Medizin bei zellbasierten Therapien zum Einsatz kommen. Ein einfaches und kostengünstiges Werkzeug für die Veränderung von genetischen Informationen verfügbar zu haben, wird in Zukunft sehr wichtig sein. Darüber sind sich die beiden WissenschafterInnen einig. (vs)

Das Paper "A programmable dual RNA-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity" (AutorInnen: Jinek M*, Chylinski K*, Fonfara I, Hauer M, Doudna JA and Charpentier E. Science, June 28, 2012. *Equal contribution) erschien am 28. Juni 2012 im Fachjournal "Science".