CRISPR

Sep 02, 2023

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Vieles an winzigen, schwimmenden Rädertierchen macht sie zu idealen Studienobjekten. Obwohl sie mit bloßem Auge kaum sichtbar sind, sind diese durchsichtigen Tiere und ihre Innereien unter dem Mikroskop leicht zu erkennen. Darüber hinaus wachsen sie problemlos in Laborkulturen und bieten Wissenschaftlern eine ansonsten schwer zu gewinnende Perspektive aus ihrem Teil des Tierreichs.

Obwohl Rädertierchen seit mehr als einem Jahrhundert von vielen Forschungsgruppen experimentell eingesetzt werden, mangelt es Wissenschaftlern bislang an der Fähigkeit, die Genetik von Rädertierchen einfach zu manipulieren, was den Experimenten, die sie mit diesen Tieren durchführen können, starke Grenzen setzt.

Eine gemeinsame Anstrengung von Kristin Gribble und David Mark Welch am Marine Biological Laboratory (MBL) hat diese Herausforderung gemeistert, indem sie eine Methode zur präzisen Veränderung der Genome der Rädertierchen mithilfe des Gen-Editing-Systems CRISPR-Cas9 entwickelt haben. In den in PLOS Biology beschriebenen Experimenten bearbeitete ihr Team zwei Gene und fügte eine genetische Sequenz hinzu, um Veränderungen hervorzurufen, die die Rädertierchen über Generationen hinweg weitergaben.

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„Unsere Methode erweist sich als sehr praktische Möglichkeit, relativ schnell eine große Anzahl genetisch veränderter Rädertierchen zu erzeugen“, sagte Mark Welch, leitender Wissenschaftler am MBL und Direktor des Josephine Bay Paul Center for Comparative Molecular Biology and Evolution.

Dieser Fortschritt wird nicht nur seinem Labor und dem von Gribble zugute kommen, die Rädertierchen verwenden, um die Biologie des Alterns, DNA-Reparaturmechanismen und andere grundlegende Fragen zu untersuchen, sondern er wird auch „das Feld öffnen, damit mehr Menschen mit diesen Tieren arbeiten können“, sagte Mark Welch .

Bestimmte Lebewesen – zum Beispiel das Bakterium E. coli, Fruchtfliegen und Mäuse – haben sich als Modellorganismen etabliert, die Wissenschaftler routinemäßig in der Forschung einsetzen. Zusammengenommen bilden sie jedoch nicht die gesamte Vielfalt des Lebens angemessen ab.

Das MBL-Team möchte Rädertierchen zu dieser Gruppe genetisch beherrschbarer Organismen hinzufügen, da sie als winzige Wirbellose mit engen Verbindungen zu den Vorfahren moderner Tiere eine wichtige Perspektive auf Evolution, Entwicklung und andere Aspekte der Biologie bieten.

Um Rädertierchen als Modellorganismen zu entwickeln, benötigen Forscher die Fähigkeit, die Genome dieser Tiere zu optimieren. Im Jahr 2017 stellte MBL-Interimsdirektorin Melina Hale von der University of Chicago Gribble und Mark Welch finanzielle Mittel zur Verfügung, um eine Methode dafür unter Verwendung von CRISPR-Cas9 zu entwickeln. Das Ziel, eine größere Vielfalt an Modellorganismen zu kultivieren, wurde später in der MBL-Initiative „New Research Organisms“ formalisiert.

CRISPR-Cas9 wird heute häufig in der Forschung eingesetzt und führt präzise Schnitte in der DNA durch, die Forscher nutzen, um Gene abzuschalten oder zu verändern. Zunächst müssen sie jedoch das CRISPR-System in die Tiere bringen.

Rädertierchen sind kleine, sägemehlgroße Körner, die im Wasser herumschwirren, und stellen ungewöhnlich herausfordernde Ziele dar. Nach vielen erfolglosen Versuchen, sie ruhig zu halten, entwickelte der Erstautor Haiyang Feng, damals Postdoktorand am MBL, eine Lösung: Indem er sie in eine hochviskose Lösung eintauchte und eine geringe Menge Anästhetikum verabreichte, verlangsamte er die Tiere so weit, dass sie sie greifen konnten Nehmen Sie sie einzeln mit leichtem Sog durch eine Hohlnadel ein.

Während das Tier, immer ein Weibchen, an Ort und Stelle war, injizierte er das Gen-Editierungssystem in den Teil seines Körpers, der die Eier mit Nährstoffen versorgt. Die aus diesen Eiern geschlüpften Nachkommen trugen dann die Mutationen, die sie an ihre Nachkommen weitergaben.

Auf diese Weise inaktivierte das Team Vasa, ein für die Tierentwicklung entscheidendes Gen, was dazu führte, dass die Rädertierchen nach einigen Generationen ihre Fortpflanzung einstellten. Indem sie ein zweites Gen, mlh3, ausschalteten, verhinderten sie, dass die Rädertierchen männliche Nachkommen hervorbrachten. Und schließlich erzielten sie den gleichen Effekt, indem sie einen Abschnitt des genetischen Codes mit „Stopp“-Anweisungen in mlh3 einfügten.

Beide Forscher beabsichtigen, die CRISPR-basierte Methode zur genetischen Veränderung von Rädertierchen für ihre eigene Forschung zu nutzen. Im Rahmen ihrer Arbeit, die untersucht, wie sich das Alter von Müttern auf die Eigenschaften ihrer Nachkommen auswirken kann, untersucht Gribble, eine assoziierte Wissenschaftlerin am MBL, die Rolle von Mitochondrien, dem energieproduzierenden Bestandteil von Zellen. Der neue Ansatz wird es ihr ermöglichen, Mitochondrien zu markieren oder zu verändern. Mark Welch plant unterdessen, damit die molekularen Mechanismen zu erforschen, die hinter der Fähigkeit einer Rädertierart stehen, sich nach vollständiger Austrocknung wiederzubeleben, einschließlich der Art und Weise, wie sie Schäden an ihrer DNA reparieren.

Studien wie diese sind nur der Anfang. „Dieses neue Tool und die einfache Aufzucht von Rädertierchen im Labor werden es ermöglichen, damit viele Fragen zu beantworten, über die wir noch nicht einmal nachdenken“, sagt Gribble.

Referenz: Feng H, Bavister G, Gribble KE, Mark Welch DB. Hocheffiziente CRISPR-vermittelte Genbearbeitung in einem Rädertier. Hejnol A, Hrsg. PLoS Biol. 2023;21(7):e3001888. doi: 10.1371/journal.pbio.3001888

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