Wissenschaftler, die die Ursachen wichtiger Erkrankungen erforschen und Therapien entwickeln, sind auf geeignete Modellorganismen angewiesen. Forscher der Universität Bonn haben nun eine neuartige Methode entwickelt, mit der sich solche maßgeschneiderten Krankheitsmodelle effizienter erschaffen lassen. Die Technologie kürzt den herkömmlichen Weg um rund ein Jahr ab. Die Ergebnisse werden jetzt in „Nature Communications“ vorgestellt.

Wie funktioniert das Immunsystem? Für welche Funktionen ist ein bestimmtes Gen verantwortlich? Wissenschaftler untersuchen solche medizinischen und biologischen Fragestellungen, um drängende Fragen zu Erkrankungen zu beantworten. Sie schalten hierfür in Modellorganismen bestimmte Gene in Immunzellen aus oder fügen ein künstliches Erbgutstück mit neuen Eigenschaften, z.B. ein fluoreszierend leuchtendes Reporterprotein, hinzu. Hierdurch kann dann die Wirkungsweise und Lokalisation dieser Proteine näher untersucht werden.

Ein wichtiges Protein für die Funktion von Immunzellen ist SATB1; ein Faktor, der an der Ablesung der DNA beteiligt und für die Aktivierung von Immunzellen notwendig ist, um bei einer Infektion die eindringenden Mikroorganismen wirkungsvoll zu bekämpfen. „Dann beobachten wir, welche Folgen diese Veränderungen in der Expression von SATB1 für Immunzellen haben und können daraus auf die Funktionsweise des untersuchten Gens schließen“, sagt Dr. Marc Beyer vom Life and & Medical Sciences (LIMES) Institut der Universität Bonn.

Voraussetzung für die Untersuchung solch wichtiger immunologischer Fragestellungen sind geeignete Tiermodelle. „Die Herstellung dieser Modelle ist ein sehr zeit- und arbeitsaufwendiger Prozess“, erklärt Dr. Beyer. Inklusive aller Vorarbeiten und Kreuzungsversuche dauere es im Schnitt ein bis zwei Jahre, bis zum Beispiel ein neues Modell in der Maus etabliert wird. Für die Generierung neuer Mausmodelle greifen die Wissenschaftler bislang auf embryonale Stammzellen der Tiere zurück. Die Gene in den Stammzellen werden verändert und anschließend in einen Embryo implantiert, aus dem dann der Organismus heranwächst.

Mit speziellen Erbgutscheren lässt sich der Weg abkürzen

Wissenschaftler des LIMES-Instituts der Universität Bonn und des Hauses für experimentelle Therapie des Universitätsklinikums Bonn haben nun eine neue Methode entwickelt, mit der sich der Weg zum gewünschten Tiermodell um etwa ein Jahr abkürzen lässt. Sie nutzten sogenannte „TALENs“ (Transcription activator-like effector nucleases), mit denen sie den Erbgutstrang von Mäusen an einer bestimmten Stelle durchschnitten. Diese neuen Erbgutscheren verwenden Wissenschaftler erst seit einigen Jahren, um Genveränderungen auf Zellebene durchzuführen. „Unserem Team gelang es nun erstmals, mit den TALENs künstliches Erbgut direkt in das Genom eines lebenden Organismus einzubringen“, berichtet der Forscher der Universität Bonn. Die aufwendigen Vorarbeiten mit den Stammzellen entfielen dabei.

Die Wissenschaftler injizierten die TALENs zusammen mit einem künstlichen DNA-Abschnitt in die befruchtete Eizelle einer Maus. Die Genscheren schnitten dabei den Erbgutdoppelstrang an einer ganzen bestimmten Stelle durch, wodurch sich das künstliche Erbgutstück dort automatisch einfügte. Dabei nutzten die Wissenschaftler den natürlichen Mechanismus aus, mit dem Zellen Erbgutveränderungen reparieren. Die auf diese Weise veränderte Eizelle wurde dann von einer anderen Maus ausgetragen. Daraus entstand ein Tier, mit dem sich jetzt die Funktion von SATB1 in unterschiedlichen Immunzellen einfach untersuchen lässt.

Viele aufwendige Schritte entfallen

„Bei unserer Methode entfallen viele aufwendige Schritte, die bei der herkömmlichen Technik erforderlich sind“, sagt der LIMES-Forscher. Die Wissenschaftler stellten unter Beweis, dass sich mit der neuen Methode auch sehr komplexe DNA-Fragmente in Modellorganismen einbringen lassen. „Mit den TALENs ist es gelungen, ein neues Verfahren zu entwickeln, mit dem neue Mauslinien, z.B. auch für Krankheitsmodelle, auf relativ einfache Weise etabliert werden können“, resümiert der Forscher. Damit werde eine wichtige Grundlage geschaffen, um mit Hilfe von Tiermodellen drängende Fragen in der Medizin und den Grundlagenwissenschaften effizienter zu erforschen.

Für die Funktion von SATB1 bedeutet dies, dass die Forscher in T Lymphozyten jetzt durch die Kreuzung mit anderen Mauslinien SATB1 spezifisch ausschalten können und die Frage beantworten werden, wie SATB1 die Antwort des Immunsystem gegen Krankheitserreger kontrolliert.

Publikation: Efficient genome engineering by targeted homologous recombination in mouse embryos using transcription activator-like effector nucleases”, Nature Communications, DOI: 10.1038/ncomms4045