Fortschritte in der Genom-Engineering-Technik

Das menschliche Genom besteht aus einer riesigen Menge DNA, von der vieles keine Anweisungen zur Herstellung von Proteinen gibt. Etwa 1% davon enthält die tatsächlichen Codesegmente, die unseren Zellen sagen, wie sie Proteine erzeugen sollen. Diese codierenden Teile werden oft von Abschnitten namens Introns unterbrochen, die während eines Prozesses namens Transkription entfernt werden müssen. Neben diesen 1% gibt es etwa 8% des Genoms mit nicht-codierenden Sequenzen, die eine Rolle bei der Regulierung der Genaktivität spielen. Der Grossteil unseres Genoms, rund 54%, besteht aus repetitiven Sequenzen.

Forscher versuchen noch herauszufinden, wie viel von dieser DNA für das Überleben unserer Zellen nötig ist und wie sich die Veränderung der Reihenfolge oder Position dieser Sequenzen auf die Genaktivität auswirkt. Eine Möglichkeit, das zu untersuchen, besteht darin, zu schauen, wie sich verschiedene Genomkonfigurationen in Zellen verhalten. Wissenschaftler können Werkzeuge verwenden, die als spezifische Rekombinasen bekannt sind, um Veränderungen in der DNA zu erzeugen, wie zum Beispiel Deletionen oder Umstellungen. Das hilft, zu verstehen, wie das Genom organisiert ist. Diese Bemühungen haben sich jedoch grösstenteils auf bestimmte Stellen konzentriert, anstatt das gesamte menschliche Genom zu betrachten.

Einige komplexe Veränderungen im Genom sind bei Krankheiten wie Krebs zu beobachten, wo das Genom grössere Umstellungen durchlaufen kann. Diese Veränderungen können manchmal den Zellen helfen, sich anzupassen, zum Beispiel indem sie sie resistent gegen Medikamente machen. Auch wenn wir viel aus diesen Vorkommnissen lernen, haben wir immer noch keine Möglichkeit, diese Veränderungen immer dann herbeizuführen, wenn wir wollen, oder sie in Echtzeit zu beobachten.

#Innovationen in der Genom-Engineering

Forscher haben kürzlich eine Methode in Hefe entwickelt, mit der sie viele Variationen im Genom auf einmal erstellen können. Dabei werden viele spezifische Stellen in synthetische Chromosomen eingefügt, die als Anker für die Rekombination mithilfe eines Enzyms namens Cre-Rekombinase dienen. Dieses System, das SCRaMbLE genannt wird, ermöglicht eine kontrollierte Möglichkeit, Genome zu entwickeln, ohne die DNA-Struktur zu schädigen.

Mit dieser Methode haben Wissenschaftler eine Menge Informationen darüber gesammelt, wie Genome umgestellt werden können. Zum Beispiel hat die Veränderung der Anordnung von Genen auf synthetischen Chromosomen gezeigt, wie diese Veränderungen beeinflussen, welche Proteinvarianten produziert werden. Allerdings ist es eine Herausforderung, diesen Ansatz auf das viel grössere menschliche Genom anzuwenden. Das menschliche Genom hat weniger Gene im Vergleich zu Hefe, was es weniger klar macht, wie viel Variation zulässig ist.

Um diese Techniken auf menschliche DNA anzuwenden, haben Forscher damit begonnen, eine neue Editing-Methode namens Prime Editing zu verwenden, die präzise Änderungen an der DNA zulässt, ohne Risse in den Strängen zu verursachen. Diese Technik könnte es Forschern ermöglichen, viele Rekombinase-Stellen gleichzeitig im gesamten Genom hinzuzufügen, wobei Bereiche angestrebt werden, die reich an repetitiven Sequenzen sind, wie LINE-1-Elemente, die einen bedeutenden Teil des menschlichen Genoms ausmachen.

#Techniken kombinieren

In neueren Studien haben Wissenschaftler das SCRaMbLE-System mit Prime Editing kombiniert, um bedeutende Veränderungen an menschlichen Genomen vorzunehmen. Diese Kombination hat zur Schaffung stabiler Zelllinien geführt, in denen Tausende von Rekombinase-Stellen in Bereiche des Genoms integriert wurden. Diese Schritte, obwohl riskant, bieten Potenzial für grosse Fortschritte in der genetischen Forschung.

Die Forscher untersuchten diese modifizierten Zellen, um Merkmale zu bestimmen, die bestimmte Regionen einfacher editierbar machten. Sie fanden heraus, dass diese Rekombinase-Stellen eine Vielzahl von strukturellen Veränderungen im Genom erzeugen konnten. Durch den Vergleich der anfänglichen Veränderungen im Genom und der Veränderungen, die nach einigen Tagen blieben, konnten sie sehen, welche Veränderungen für das Überleben der Zellen vorteilhaft waren.

#Der Prozess des Scramblings

Um das menschliche Genom effektiv zu scramblen, mussten die Forscher zuerst diese Rekombinase-Stellen im Genom einführen. Sie verwendeten Prime Editing, um symmetrische loxP-Stellen in LINE-1-Elemente einzufügen. Nachdem sie die Cre-Rekombinase induziert hatten, konnten die Wissenschaftler die Chromosomen mischen und zahlreiche einzigartige genetische Varianten schaffen.

Sie fanden heraus, dass auch bei einer grossen Anzahl von genomischen Veränderungen viele manipulierte Zelllinien lebensfähig blieben. Das deutete darauf hin, dass erhebliche Teile des menschlichen Genoms verändert werden können, ohne das Zellwachstum zu beeinträchtigen. Durch die Analyse, wie sich die Häufigkeit spezifischer genetischer Varianten im Laufe der Zeit veränderte, konnten die Forscher die zugrunde liegenden Drücke verstehen, die für bestimmte Veränderungen im Vergleich zu anderen selektierten.

#Die Auswirkungen struktureller Variationen untersuchen

Die Forscher begannen auch, die Auswirkungen dieser genetischen Veränderungen auf die Genexpression und die Zellfitness zu untersuchen. Indem sie Klone mit verschiedenen strukturellen Varianten beobachteten, bemerkten sie, wie spezifische Deletionen oder Umstellungen die Expression benachbarter Gene beeinflussten.

Zum Beispiel wies eine modifizierte Zelllinie signifikante Deletionen auf, die bestimmte Gene entfernten, ohne die Expression benachbarter Gene zu beeinflussen. Die Wissenschaftler untersuchten auch, wie diese Veränderungen das allgemeine Wachstum und die Gesundheit der Zellen beeinflussten, was zu einem besseren Verständnis der Genregulation führte.

Zusätzlich zur Untersuchung von Zelllinien mit grossen Deletionen bewerteten die Forscher genomische Veränderungen in verschiedenen Kontexten. Zum Beispiel wurden andere Arten von veränderten Strukturen beobachtet, wie Rückfaltungen und Translokationen, die erhebliche Auswirkungen auf die Zellfunktion haben können.

#Die Bedeutung der Chromatinstruktur

Als die Forscher diese genetischen Veränderungen analysierten, erkannten sie auch die Bedeutung der Chromatinstruktur im Editing-Prozess. Chromatin, das Material, das Chromosomen ausmacht, spielt eine entscheidende Rolle bei der Regulierung der Zugänglichkeit und Expression von Genen.

Durch die Untersuchung, wie sich Chromatinzustände zwischen bearbeiteten und unberührten Sequenzen unterschieden, erhielten die Forscher Einblicke darin, wie strukturelle Variationen mit der Genaktivität verbunden sein könnten. Sie entdeckten, dass bestimmte Chromatinsignaturen häufiger mit erfolgreich bearbeiteten Sequenzen assoziiert waren. Diese Erkenntnis hat Auswirkungen auf unser Verständnis der genetischen Regulation und die Verbesserung der Genome-Editing-Techniken.

#Die Zukunft des Genome Scramblings

Die erfolgreiche Kombination von Rekombinase-Technologie und Prime Editing hat viele Möglichkeiten für zukünftige Forschungen eröffnet. Durch die Schaffung einer Vielzahl genetischer Modifikationen können Forscher besser verstehen, wie verschiedene Gene zur Gesundheit, Krankheit und zur allgemeinen Zellfunktion beitragen.

Darüber hinaus könnte dieser Ansatz zu bedeutenden Fortschritten in den Bereichen Biotechnologie und Medizin führen. Zum Beispiel könnte er Forschern helfen, essentielle Gene oder genetische Regionen zu identifizieren, die eine Rolle bei der Arzneimittelresistenz in Krebszellen spielen. Es könnte auch die Schaffung neuer Zelllinien mit gewünschten Eigenschaften für die Verwendung in der Forschung oder Produktentwicklung ermöglichen.

#Fazit

Die Erforschung des menschlichen Genoms bietet eine riesige Landschaft genetischen Potenzials. Innovationen wie SCRaMbLE und Prime Editing haben den Forschern leistungsstarke Werkzeuge zur Verfügung gestellt, um genetische Sequenzen auf Weisen zu manipulieren, die früher für unmöglich gehalten wurden. Während unser Verständnis struktureller Variationen wächst, wachsen auch unsere Möglichkeiten, dieses Wissen für zukünftige Experimente und therapeutische Strategien zu nutzen.

In dieser laufenden Reise der genetischen Erkundung drängen Wissenschaftler weiterhin die Grenzen dessen, was im Bereich der Genmodifikation möglich ist, und suchen nach Antworten auf komplexe biologische Fragen sowie der Möglichkeit, bedeutende Gesundheitsherausforderungen anzugehen. Die Kombination kreativer Ansätze zur Genomtechnik positioniert Forscher, um Fortschritte im Verständnis des komplexen Zusammenspiels von Genen, Genomen und ihren Beiträgen zum Leben, wie wir es kennen, zu machen.