Markergen-Eliminierung

Springende Gene: Vom Phänomen zum Werkzeug

Es gibt Gene, die können springen. Diese Fähigkeit kann genutzt werden, um unerwünschte Markergene aus gentechnisch veränderten Pflanzen zu entfernen.

Lange Zeit waren die Genetiker der Überzeugung, Gene seien an bestimmten Orten fest in ein Chromosom eingebunden. 1949 brachte Barbara McClintock dieses Dogma zu Fall: sie entdeckte die "springenden Gene", die ihre Position verändern und sogar in andere Chromsomen wechseln können. Für diese Entdeckung erhielt sie 1983 den Nobelpreis.

Die Spur der springenden Gene. Unterschiedlich gefärbte Maiskörner

Später fand man heraus, dass solche mobilen genetischen Elemente nicht nur beim Mais, sondern bei vielen anderen Organismen vorkommen – mehr noch: Transposon – so der wissenschaftliche Name für die springenden Gene – spielen in der Biologie eine wichtige Rolle, da sie neben andern Mechanismen zur genetischen Variationsfähigkeit von Organismen beitragen.

Später wurden die Vorgänge, die bestimmte Genen zum "Springen" befähigen, auf molekularbiologischer Ebene beschrieben: Es gibt verschiedene "transposable Elemente", die dafür sorgen, dass sich Gene – etwa solche für die Farbe der Maiskörner – aus ihrer Position im Chromosom lösen und an anderer Stelle wieder einfügen.

Am besten charakterisiert ist die "Ac/Ds-Familie" der Transposons. Mit ihrer Hilfe sollen neue Werkzeuge entwickelt werden, um z.B. Markergene nach der Transformation aus der transgenen Pflanze wieder entfernen zu können. Ac/Ds-Transposons kommen natürlicherweise bei Mais vor; sie behalten jedoch ihre Funktionsfähigkeit auch dann, wenn sie in anderen Pflanzenfamilien genutzt werden.

Zu einem Transposon gehört ein Gen für ein spezielles Enzym (Ac-Transposase), das bestimmte Signale (Ds-Sequenzen) in der DNA "erkennt", dort Stücke aus der DNA herausschneidet und sie an einer anderen, nicht vorhersagbaren Stelle wieder in die Erbsubstanz integriert. Die Transposase bewirkt nur dann ein "Springen" eines Gens, wenn ein Ds-Signal vorhanden ist (siehe Schaubild unten).

Um diesen Mechanismus des Ac/Ds-Systems zur späteren Eliminierung von Markergenen zu nutzen, müssen folgende Schritte durchgeführt werden:

Schritt 1: Herstellung spezieller Vektor-Konstrukte. Damit das Enzym Ac-Transposase ein bestimmtes Gen ausschneiden kann, muss dieses mit Ds-Signalsequenzen markiert werden. Der Vektor , mit dem die Pflanze transformiert wird, muss dafür zwei Abschnitte enthalten: eines mit dem Zielgen (GEN), flankiert von zwei DS-Sequenzen, das andere mit dem Markergen (hier ein PAT-Gen, das eine Herbizidresistenz vermittelt) und dem AC-Gen, das für die Bildung des Enzyms Transposase sorgt.

Hat die Pflanze den Vektor aufgenommen und das Genkonstrukt in das eigene Genom integriert, sind dort beide Abschnitte vorhanden. Wie auf dem Vektor liegen Ziel- und Markergen auch auf dem Pflanzenchromosom noch beieinander.

Schritt 2: Trennen der beiden DNA-Abschnitte. Nun kann das Ac/Ds-System in der Pflanze aktiv werden: Die Ac-Transposase trennt das Genkonstrukt an den Stellen auf, an denen das Ds-Signal sitzt. Anschließend wird das zwischen den Ds-Sequenzen befindliche Gen an eine andere Stelle des Genoms befördert und dort integriert. Der Integrationsort ist unspezifisch und kann nicht vorherbestimmt werden. Markergen und Zielgen sind jetzt räumlich entkoppelt, sobald sie auf unterschiedlichen Chromosomen sitzen.

Werden diese Pflanzen mit anderen gekreuzt, wird es Nachkommen geben, die aufgrund von natürlich stattfindenden Segregationsprozessen entweder nur das Zielgen mit minimalen DS-Sequenzen an beiden Enden oder das Markergen (hier PAT) mit dem AC-Gen tragen. eine (Markergen) oder andere Gen (Zielgen) enthalten.D (Segregation) Damit erhält man das gewünschte Ergebnis: gentechnisch veränderte Pflanzen, in die nur das Zielgen neu eingefügt ist.

Ergebnisse. Bislang konnte iIn einem Forschungsprojekt konnte gezeigt werden, dass das Ac/Ds-Transposon-System in Zuckerrüben grundsätzlich funktioniert. Allerdings sind noch einige Fragen offen, die es zu lösen gilt, bevor eine praktische Anwendung des Systems möglich ist. Diese sollen durch ein Folgeprojekt geklärt werden. Auch muss noch entschieden werden, ob es besser ist das Zielgen oder das Markergen springen zu lassen.

Springende Gene: Vom Phänomen zum Werkzeug

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