Rekombinase

Rekombinasen sind Enzyme, welche die genetische Rekombination katalysieren. Hierbei kommt es zu einer Spaltung und Neuverknüpfung von DNA-Abschnitten, was zur genetischen Diversität führt und die Reparatur mutierter DNA ermöglicht.

Homologe Rekombination

Die homologe Rekombination wurde 1964 zuerst von Robin Holliday beschrieben. Sie beruht auf der Paarung ausgedehnter homologer Sequenzen, ist in Bakterien und Hefen häufig, in Säugerzellen hingegen ineffizient. Dies hängt mit der Komplexität und Größe höherer Genome zusammen und beschränkt die Einsatzmöglichkeiten des Prozesses zur gezielten genetischen Modifikation dieses Zelltyps.

Orts-spezifische Rekombination

Abbildung: Orts-spezifische Rekombinasen: Exzision und Integration am Beispiel der Rekombinasen Cre und Flp. Die Erkennungsstelle der Cre-Rekombinase (loxP-Stelle [Locus of Crossingover of P1 phage]) umfasst 34 Basenpaare, darin zwei 13 Basenpaare lange Kontaktstellen und ein 8 Basenpaare umfassender Abstandhalter ("Spacer"). Die Flp Erkennungsstelle (FRT [Flp-recombinase target]) ist durch eine zusätzliche Kontaktstelle etwas länger (A). * Kommt es zwischen zwei gleichgerichteten Erkennungsstellen (Symbol: Halbpfeil) zu Rekombination, so wird das flankierte DNA-Segment als kreisförmiges Molekül herausgeschnitten (Exzision). Aufgrund der ursprünglichen räumlichen Nähe beider Erkennungsstellen ist dieser Prozess überaus effizient. Für die systematische Modifikation höherer Genome hat so das "flox-Verfahren" (ein DNA-Segment wird von zwei loxP-Stellen flankiert und kann daher zu einem definierbaren Zeitpunkt entfernt werden) überaus große Bedeutung erlangt (B). * Die umgekehrte Reaktion (Integration eines zirkulären Vektors) ist im Prinzip auch möglich (B), jedoch ineffizient, da ** der Vektor die zweite Rekombinationsstelle finden muss (d.h. aufgrund der Größe des "Suchvolumens" im Zellkern) ** da er nach Rekombination unmittelbar wieder ausgeschnitten wird, sofern die Rekombinaseaktivität nicht beendet werden kann. ** dass das Enzym die Excision begünstigt. Als "Methode der Wahl" gilt zu diesem Zweck heute das RMCE Kassettenaustauschverfahren, welches diese Probleme umgeht. * Die "Flippase"-Reaktion: ein durch zwei gegenläufig orientierte Rekombinasestellen flankiertes DNA-Segment wird umgedreht (Inversion; nicht gezeigt).

Rekombinationsereignisse dieses Typs verlaufen über kurze Erkennungsstellen, wie sie in Hefen und Phagen vorkommen. Da es gelingt, den entsprechenden enzymatischen Apparat in Säugerzellen zu übertragen, steht ein äußerst effizientes System zur genetischen Modifikation auch höherer Zellen zur Verfügung. Davon wird seit einigen Jahren zunehmend Gebrauch gemacht.

Die am häufigsten verwendeten Rekombinationssysteme dieser Klasse leiten sich von den Rekombinasen Cre (cyclization recombinase oder auch causes recombination) des Phagen P1 und Flp (benannt nach der Flippase-Aktivität, durch die Hefen Sequenzabschnitte invertieren), ab. Beide Enzyme gehören zur Integrase Familie der Rekombinasen, die derzeit etwa 30 Mitglieder umfasst. Die folgende Abbildung illustriert Möglichkeiten, die aus diesen Systemen resultieren. Darüber hinaus hat die systematische Mutagenese der Erkennungsstellen einen weiteren Reaktionstyp ermöglicht: das RMCE Kassettenaustauschverfahren, dem ein gesonderter Eintrag gewidmet ist.

Medizinische Bedeutung

2007 gelang es deutschen Forschern erstmals eine Rekombinase für HIV-1 infizierte Zellen zu nutzen. Hierbei wird die virale DNA mit Hilfe einer modifizierten Cre-Rekombinase (Tre) aus dem Genom einer CD4-Helferzelle heraus getrennt.[1] Ob die vollständige Eradikation von HIV-1 unter Mithilfe der Tre-Rekombinase in Zukunft als gentherapeutische Behandlungsstrategie tatsächlich möglich sein wird, muss derzeit mit größter Vorsicht beurteilt werden. Es existieren eine Reihe prinzipieller, wie auch technischer Probleme, die in den kommenden Jahren sorgfältig analysiert und gelöst werden müssen. [2]

Dennoch lassen die aktuellen Forschungsergebnisse zumindest theoretische Gedankenspiele zur vollständigen Eradikation zu. Sollte eine Eradikation nicht möglich sein, könnte zumindest ein weiterer, alternativer Ansatz zur HAART gegeben sein.

Quellen

  1. Sarkar, I. et al. (2007): HIV-1 proviral DNA excision using an evolved recombinase. In: Science. Bd. 316, S. 1912-1915. PMID 17600219
  2. Frank Buchholz & Joachim Hauber: Maßgeschneiderte Rekombinase - ein neuer Hoffnungsschimmer zur HIV-Eradikation. In: Retrovirus Bulletin. Jg. 2007, Nr. 3, S. 9-11. (PDF)

Literatur

  • Andrews, B.J. et al. (1985) The FLP recombinase of the 2 micron circle DNA of yeast: interaction with its target sequences. In: Cell. Bd. 40, S. 795-803. PMID 3879971

Weblinks

Die News der letzten Tage

30.06.2022
Mikrobiologie | Ökologie
Leben im Erdinneren
Mikroorganismen in Grundwasserleitern tief unter der Erdoberfläche produzieren ähnlich viel Biomasse wie solche in manchen Meeresbereichen.
30.06.2022
Ethologie | Vogelkunde
Zebrafinken im Schwarm: Blinker setzen und Schulterblick
Viele Vogelarten fliegen gemeinsam mit Artgenossen in Schwärmen, um Flugstrecken sicher zu überwinden.
30.06.2022
Taxonomie | Amphibien- und Reptilienkunde
99 Kaulquappenarten in einem neuen Feldführer
Wichtig, aber oft vernachlässigt: Kaulquappen spielen eine entscheidende Rolle in der Ökologie aquatischer Lebensräume.
29.06.2022
Bionik, Biotechnologie, Biophysik
Wasserabstoßung erster Schritt zum Leben an Land vor einer Milliarde Jahren
Wissenschaftler konnten erforschen, wie sich die Fähigkeit, extrem Wasser abzuweisen, von bestimmten Bakterien bereits vor einer Milliarde Jahren über Grünalgen, Schleimpilze, Moose und Farne bis zu den Lotusblättern entwickelt hat.
29.06.2022
Ökologie
Massenentwicklungen von Wasserpflanzen – natürliches Phänomen oder ernstes Problem?
Im Sommer zieht es viele Menschen an unsere Gewässer, doch dabei stoßen sie auf ein immer häufiger auftretendes Phänomen: die Massenentwicklung von Wasserpflanzen.
29.06.2022
Genetik | Evolution | Insektenkunde
Enzym bakteriellen Ursprungs förderte die Evolution der Bockkäfer
Genduplikationen erhöhte die Vielfalt und Spezifität der Enzyme, die es Larven von Bockkäfern ermöglichen, wichtige Holzbestandteile abzubauen.
28.06.2022
Mikrobiologie | Biochemie
Wie Darmbakterien im Menschen gedeihen
Ein Forschungsteam in Tübingen hat bedeutende Fortschritte erzielt in der Frage, wie Bakterien im menschlichen Darm gedeihen.
27.06.2022
Ethologie | Primatologie
Schimpansen finden sich in virtuellen Umgebungen zurecht
Mit Hilfe von Touchscreens durchquerten sechs Schimpansen aus dem Zoo Leipzig eine virtuelle Landschaft um zu einem weit entfernten Baum zu gelangen, unter dem sie verschiedene Früchte fanden.
27.06.2022
Ökologie | Vogelkunde
Schneller Rückgang der Geier-Bestände in Afrika: Schutzgebiete zu klein
Geier erfüllen wichtige Ökosystemfunktionen, da sie die Landschaft von Kadavern befreien und so beispielsweise die Ausbreitung von Wildtierkrankheiten begrenzen.
27.06.2022
Genetik | Biochemie | Bionik, Biotechnologie, Biophysik
Genome zeigen verstecktes Potential der Flechten
Flechten bilden unter anderem Stoffe mit biotischer Wirkung, die für die Pharmazie von großem Interesse sind - sogenannte sekundäre Flechtenstoffe.
22.06.2022
Bionik, Biotechnologie, Biophysik | Meeresbiologie
Ozean als Quelle für Naturstoffe angezapft
Forschende entdecken im Meerwasser anhand von DNA-​Daten nicht nur neue Bakterienarten, sondern auch unbekannte Naturstoffe, die dereinst nützlich sein könnten.