Glossar des Genom Editings

Eine Methode, bei der eine Plasmid enthaltende Agrobacterium tumefaciens-Lösung in Pflanzengewebe (zumeist Blätter) infiltriert wird, um eine hohe und transiente Expression der tDNA zu induzieren.

Gen einer sexuell kompatiblen Pflanze

zufällige Integration eines Cisgens an eine abweichende Stelle im Pflanzengenom

Ersetzen oder Hinzufügen (aus natürlich vorkommender Präsenz-/Absenz-Variation) eines Cisgens/Allels an der ursprünglichen Stelle im Genom.

Ein adaptives Immunsystem aus Bakterien und Archaea, welches als Methode des Genome Editings eingesetzt wird. CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats) beschreibt einen Abschnitt des Wirtsgenoms, der sich wiederholende Sequenzen und einen speziellen Sequenzabschnitt viraler DNA (Spacer genannt) enthält. Mit CRISPR assoziierte Proteine nutzen diese spezifische Sequenzen zur molekularen Lokalisation, um zum Schutz der Zelle virale DNA zu finden und zu zerstören.

Ein Protein (Endonuklease) aus dem CRISPR-basiertem, bakteriellem Immunsystem, das im Genome Editing verwendet wird. Cpf1 nutzt ein RNA-Molekül zur Lokalisierung von komplementärer DNA (guide RNA) und schneidet dort, was zum Doppelstrangbruch führt. Cpf1 hat im Vergleich zu Cas9 eine leicht abweichende PAM-Sequenz und ein anderes Schnittmuster.

Ein Protein (Endonuklease) aus dem CRISPR-basiertem, bakteriellen Immunsystem, das im Genome Editing verwendet wird. Cas9 nutzt ein RNA-Molekül zur Lokalisierung von komplementärer DNA (guide RNA) und schneidet dort, was zum Doppelstrangbruch führt. In der CRISPR-vermittelten Immunabwehr verhindert das Schneiden von viraler DNA die Infektion der Wirtszelle.

Protein (Endonuklease), das an die DNA-bindenden Domänen von Zinc Finger (ZF) oder Transcription Activator-Like Effector (TALE) angefügt wurde. FokI schneidet nur einen einzelnen DNA-Strang (Einzelstrangbruch), weshalb für das Setzen von Doppelstrangbrüchen ein Paar von ZFNs oder TALENs benötigt wird. Die FokI Schneidedomäne wurde auch mit Nuklease-inaktivierter Cas9 (dCas9, d = deficient) fusioniert, sodass ebenfalls ein Dimer für das Setzen eines Doppelstrangbruchs vorliegen muss.

Der Begriff umfasst verschiedene neue Methoden, die sich durch spezifische Gemeinsamkeiten auszeichnen. Diese bestehen darin, dass gezielte und ortsspezifische Doppelstrangbrüche in der DNA induziert werden. Doppelstrangbrüche können durch den unpräzisen DNA-Reparaturmechanismus (NHEJ: non-homologous end-joining) zu Mutationen (InDels, SNPs) führen. Der präzise Mechanismus der homologen Rekombination (HR) kann mit Hilfe einer mitgelieferten Reparaturvorlage, der sogenannten Matrize, zur Einbringung von spezifischen Veränderungen in der DNA oder zum Einbringen von ganzen Genen genutzt werden. Die Methoden, die unter diesem Begriff zusammengefasst werden, sind CRISPR/Cas, TALENs, ZFNs, Meganukleasen und ODM.

Kurze RNA-Segmente, die das DNA-Schneide-Enzym (Endonuklease) an den Zielort im Genom leiten. gRNAs enthalten die Übereinstimmungsregion zur Zielsequenz (in der Regel 20 Basen) und einen Abschnitt, der mit der Endonuklease interagiert (z. B. Cas9).

Reparaturmechanismus der Zelle von DNA-Strangbrüchen, bei dem die DNA durch einen Abschnitt von homologer Spender-DNA, die als Reparaturvorlage dient, „geflickt“ wird. Die Spender-DNA muss große Ähnlichkeiten in den Sequenzen (Homologien genannt) zu der DNA an den Bruchstellen aufweisen, um eingebaut werden zu können. HR ist eine präzisere Reparatur als die NHEJ. Beim Genome Editing wird die Spender-DNA gezielt entworfen und eingebracht, was es potenziell erlaubt, ein krankheitserregendes Gen durch eine gesunde Kopie zu ersetzen.

Abkürzung für Insertion und/oder Deletion. Beschreibt die zufällige Entfernung oder Einführung von Nukleotiden in der DNA-Sequenz. InDels treten auf, wenn es zu DNA-Doppelstrangbrüchen kommt und diese durch NHEJ unpräzise repariert werden. Dies führt oftmals zur Verschiebung des offenen Leserasters und/oder der Schaffung von vorzeitigen Stopp-Kodons und damit zur Unterbrechung des Gens.

Jegliche neue Kombination von Genen und regulatorischen Elementen derselben Art oder sexuell kompatiblen Pflanze, die außerhalb des Organismus neu kombiniert und in das Pflanzengenom eingebracht wurden, wo sie weitervererbt werden können.

Prozess, der zu Mutationen in der DNA-Sequenz führt.

Veränderung in der DNA-Sequenz eines Organismus. Die Veränderung kann klein sein (SNPs, kleine InDels), Tausende von Basenpaaren umfassen (Insertionen, Deletionen, Translokationen, Austausch) oder ganze Chromosomen betreffen.

Unter diesem Begriff sind neue Methoden der Pflanzenzüchtung zusammengefasst, die sehr präzise Veränderungen und Variabilität in Pflanzen schaffen. Diese Präzision und Effizienz unterscheidet sie von herkömmlichen Züchtungsmethoden wie Kreuzung, Selektion und klassischer Mutagenese mittels Chemikalien oder radioaktiver Strahlung. Unter diesem Begriff zusammengefasst sind: Agroinfiltration, Cisgenese, CRISPR/Cas, Grafting, ODM (oligo-directed mutagenesis), RdDM (RNA-dependent DNA methylation), Reverse Breeding, TALENs und ZFNs (Zink Finger Nukleasen).

DNA-Reparaturmechanismus der Zelle durch Verknüpfung der freien Enden nach einem DNA-Strangbruch. Verglichen mit der homologen Rekombination ist dieser Mechanismus unpräzise und führt oft zum zufälligen Einfügen oder Entfernen von Nukleotiden rund um die Bruchstelle, was Insertionen oder Deletionen im genetischen Code zur Folge hat.

Direkte oder indirekte, unbeabsichtigte kurz- oder langfristige Folge einer Einwirkung auf einen Organismus, die vom beabsichtigen Zweck abweicht – etwa, wenn eine Nuklease des Genome Editings DNA an einer unbeabsichtigten, „off-target“ Stelle schneidet, die dem beabsichtigten Zielort ähnelt.

Methode des Genome Editings, bei der ein Oligonukleotid, meist in einer Länge von 20-100 Nukleotiden, genutzt wird, um einen einzelnen Nukleotidaustausch im Pflanzengenom zu bewirken. Das Oligonukleotid ist bis auf ein verändertes Basenpaar identisch (homolog) zur Zielsequenz im Pflanzengenom.

Unter diesen Begriff werden Innovationen wie Genomsequenzierungen, ‘omics und Methoden zur Erweiterung der genetischen Variation verstanden. Sie tragen dazu bei, unser Wissen im Bereich Pflanzengenetik, Physiologie und Pflanzen-Pathogen-Interaktion zu vergrößern. Methoden unter diesem Überbegriff helfen Pflanzenzüchtern, für die Züchtung wichtige Merkmale zu entdecken und zu verstehen und Züchtungsziele schneller und effizienter zu erreichen.

Kurze Nukleotidabfolge, die direkt neben der DNA-Zielsequenz vorhanden sein muss, damit Cas9 oder Cpf1 sie binden und schneiden können. Das Fehlen der PAM im Wirtsgenom verhindert hier das Schneiden des CRISPR-Bereichs.

Entsteht durch das Zusammenfügen von zwei oder mehr Nukleinsäuremolekülen außerhalb des Organismus, die nach Einbringen in den Organismus weitervererbt werden (siehe BVL, 2017; EFSA, 2015; NIH, 2016).

Unterdrückung der Rekombination durch ein eingebrachtes Transgen (RNAi-basiert) zur Erzeugung vollständig homozygoter doppelhaploider Pflanzen für die Hybridzüchtung. Die daraus entstandenen Pflanzen tragen das Transgen nicht mehr.

RdDM induziert die Deaktivierung (z. B. transkriptionelles Gen-Silencing) von Zielgenen durch die Methylierung von Promoter-Sequenzen. Zur Induktion von RdDM werden Sequenzen mittels RNAi-basierter Konstrukte in die Zellen eingebracht, welche für RNA homolog zur gewünschten Promoter-Region kodieren.

Methoden, bei denen die erzielten Veränderungen durch zufällige Mutationen (Deletionen, Insertionen oder SNPs) entstehen, hervorgerufen durch den unpräzisen DNA-Reparaturmechanismus (NHEJ).

Bei SDN-2 wird eine Reparaturvorlage (Matrize) mit in die Zelle eingebracht, die durch den präzisen Mechanismus der homologen Rekombination (HR) kleine und spezifische Veränderungen induziert.

Bei SDN-3 wird die Reparatur des Doppelstrangbruchs durch homologe Rekombination in Verbindung mit einem miteingebrachten DNA-Molekül (Matrize) zur Integration oder zum Austausch von Genen und/oder regulatorischen Elementen genutzt (z. B. Allel-Varianten).

Austausch eines einzelnen Nukleotids in der DNA-Sequenz.

Methoden, die mittels Endonukleasen an spezifischen und definierten Stelle im Genom Doppelstrangbrüche induzieren. Die DNA-bindende Domäne kann dabei entweder RNA oder ein Protein sein. Methoden, die diesem Überbegriff zugeordnet sind, sind CRISPR/Cas, TALENs und ZNFs. SDN wird unterteilt in SDN-1, SDN-2 und SDN-3, abhängig vom Grad der induzierten Veränderung.

Methode des Genome Editings, bei der eine Domäne des Proteins eine spezifische DNA-Sequenz erkennt und eine weitere Domäne diese DNA schneidet. TALENs bestehen aus der Aneinanderreihung kleiner DNA-bindender Domänen zur Erkennung einer längeren DNA-Sequenz. Diese DNA-bindende Domäne ist mit einer FokI Nuklease fusioniert, die die DNA schneidet.

Stabile Integration von DNA nicht sexuell kompatibler Arten in ein Pflanzengenom.

Genome Editing Methode, bei der eine Domäne des Proteins eine spezifische DNA-Sequenz erkennt und eine weitere Domäne diese DNA schneidet. ZNFs bestehen aus einer Aneinanderreihung kleiner DNA-bindender Domänen zur Erkennung einer längeren DNA-Sequenz. Diese DNA-bindende Domäne ist mit einer Nuklease fusioniert, welche die DNA schneidet.