Pflanzengenetik

Anwendung von CRISPR/Cas9 in Pflanzen zur Visualisierung von DNA

Ein Forschungsteam um Andreas Houben vom Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben und Holger Puchta vom Botanischen Institut des Karlsruher Instituts für Technologie haben eine Methode zur Visualisierung definierter DNA-Abschnitte in lebenden Pflanzenzellen entwickelt und konnten dynamische Bewegungen der Chromosomenenden sichtbar machen.

Lebender Zellkern der Pflanze Nicotiana benthamiana mit rot fluoreszierender Telomer-DNA (Foto: IPK/Steven Dreissig).

Somit können sie jetzt die raum-zeitliche Organisation von DNA-Abschnitten im Zellkern analysieren. Die Methodik kann zum besseren Verständnis der Funktionsweise von pflanzlichen Genomen beitragen.

Die raum-zeitliche Organisation von Genomen ist von zentraler Bedeutung für die Aufrechterhaltung und Regulierung wichtiger zellulärer Funktionen, wie die Expression von Genen, die Verdopplung der DNA und deren korrekte Aufteilung auf die Tochterzellen während der Zellteilung sowie für die Reparatur von DNA. Ein genaues Verständnis der Organisation von DNA im Zellkern ist daher unerlässlich für die Aufklärung der Regulation von Genen und nicht-codierenden DNA-Abschnitten im Verlaufe der Entwicklung von Organismen. Ihre Darstellung kann erreicht werden, indem die Interaktionen zwischen verschiedenen Elementen des Genoms sichtbar gemacht werden. „Während Fluoreszenz-markierte Proteine des Zellkerns bereits in lebenden Pflanzenzellen visualisiert werden können, haben sich die Methoden zum Sichtbarmachen von definierten DNA-Abschnitten als technisch schwierig erwiesen“, erklärt Andreas Houben, Leiter der Arbeitsgruppe Chromosomenstruktur und -funktion am IPK.

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Die Entdeckung des bakteriellen CRISPR-Cas9-Systems (type II clustered regularly interspaced short palindromic repeats CRISPR-associated caspase) revolutionierte die gezielte Veränderung von Genen in den letzten fünf Jahren. „Anhand der Weiterentwicklung dieses Systems für die Bildgebung bei Pflanzenzellen kann unser Team nachweisen, dass das Potenzial dieser Technologie weit über das kontrollierte Auslösen von Mutationen hinausreicht“, freut sich Steven Dreissig vom IPK und Erstautor der zugrundeliegenden Studie. „In den Zellen der Pflanze Nicotiana benthamiana, eine nahe australische Verwandte des Tabaks, demonstrieren wir ein Verfahren, mit dem sich wiederholende Sequenzabschnitte der Chromosomenenden, die sogenannten ‚Telomere', sichtbar gemacht werden können und bereiten den Weg für die Visualisierung verschiedenster Orte des Genoms.“

„Darüber hinaus,“ ergänzt Holger Puchta, Leiter des Botanischen Instituts in Karlsruhe, „zeigen wir, dass das CRISPR-Cas9-System mit Fluoreszenz-markierten Proteinen kombiniert werden kann, um das Zusammenwirken von DNA und Proteinen in lebenden Zellen zu verbildlichen“.

Diese neue Entwicklung könnte zukünftig die Bildgebung in lebenden Pflanzen verbessern und Pflanzenwissenschaftlerinnen und -wissenschaftlern ermöglichen, einzelne genetische Orte zu visualisieren. Das Forscherteam publiziert seine Ergebnisse nun im renommierten Fachblatt The Plant Journal.

Veröffentlichung: Steven Dreissig, Simon Schiml, Patrick Schindele, Oda Weiss, Twan Rutten, Veit Schubert, Evgeny Gladilin, Michael Florian Mette, Holger Puchta & Andreas Houben (2017): Live cell CRISPR-imaging in plants reveals dynamic telomere movement. The Plant Journal. http://DOI: dx.doi.org/10.1111/tpj.13601

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