Nächste Generation der Genomeditierung?

Forscher des Arc Institute in den USA haben ein fortschrittliches System für das Genomdesign entwickelt, das grundlegende DNA-Umlagerungen ermöglicht. In zwei im Juni 2024 publizierten Artikeln im Fachjournal Nature berichten sie von der ersten DNA-Rekombinase, die eine nicht-kodierende RNA, genannt "Brücken-RNA", verwendet, um gezielt DNA-Abschnitte zu erkennen und zu verändern.

Patrick Hsu, ehemaliger Doktorand an der Harvard University und nun Assistenzprofessor für Bioingenieurwesen an der University of California, Berkeley, leitete das Team. Die Forschungsergebnisse wurden in Zusammenarbeit mit Hiroshi Nishimasu von der University of Tokyo veröffentlicht. Die Studien beschreiben die duale Erkennung von Ziel- und Spender-DNA durch programmierbare Interaktionen mit der Brücken-RNA.

Wissenschaftlichen Grundlagen des Genomdesigns

Mobile genetische Elemente (MGEs) sind DNA-Segmente, die sich innerhalb und zwischen Genomen bewegen können. Diese Vielfalt an MGEs ist in allen Zelltypen zu finden. Besonders häufig treten Insertionssequenz (IS) Elemente in Bakterien und Archaeen auf. Die IS110 Familie besteht aus "cut-and-paste" MGEs, die sich aus dem Genom ausschneiden und zirkuläre DNA bilden, welche in spezifische Zielsequenzen integriert wird. Diese Elemente enthalten ein Gen für das Rekombinase-Enzym und flankierende DNA-Segmente.

Es wurde nun herausgefunden, dass die Entfernung des IS110-Elements einen Promotor wiederherstellt, der die Expression einer strukturierten nicht-kodierenden RNA (ncRNA) aktiviert, die von der Rekombinase gebunden wird. Diese ncRNA formt sich in zwei Schleifen: Eine bindet an die Spender-DNA, die andere an die Ziel-DNA. Aufgrund dieser Überbrückungsfunktion erhielt sie den Namen "Brücken-RNA". Durch direkte Basenpaarungsinteraktionen verbindet die bispezifische Brücken-RNA die Ziel- und Spender-DNA, was die DNA-Rekombination durch die IS110-Rekombinase erleichtert. Experimente zeigten zudem, dass jede Schleife der Brücken-RNA unabhängig programmierbar ist, sodass Ziel- und Spender-DNA-Sequenzen beliebig kombiniert werden können.

Die Entdeckung dieses Brücken-Rekombinationsmechanismus könnte eine neue Generation von programmierbaren RNA-gesteuerten Werkzeugen schaffen, die über bestehende RNA-Interferenz und CRISPR-basierte Mechanismen hinausgehen, und somit neue Möglichkeiten im Genomdesign eröffnen. Es bleibt also spannend, wann wir die nächste Entdeckung bzw. auch erste Anwendungen in der Behandlung von Patienten erfahren. Lesen Sie die oben genannten Publikationen "Bridge RNAs direct programmable recombination of target and donor DNA" und "Structural mechanism of bridge RNA-guided recombination" auf der Nature Webseite.