Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Evolution mit der molekularen Schere untersucht

16.06.2016

Einen wichtigen Mechanismus der Evolution von Pflanzengenomen haben Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) aufgeklärt: Anhand der Modellpflanze Ackerschmalwand untersuchten sie den Ursprung tandemartig wiederholter Sequenzen in der DNA und stellten fest, dass solche Sequenzen dann auftreten, wenn die beiden DNA-Stränge in deutlichem Abstand voneinander gebrochen werden. Die Wissenschaftler setzten für ihre Experimente die „molekulare Schere“ CRISPR/Cas ein. In der Zeitschrift PNAS stellen sie die Ergebnisse vor. (DOI: 10.1073/pnas.1603823113)

Die Evolution der Genome basiert auf Mutationen, das heißt Veränderungen des Erbguts, die an die Nachkommen weitergegeben werden. Dazu gehören Verdopplungen vorhandener Sequenzen in der DNA (Desoxyribonukleinsäure), dem Träger der genetischen Information. So können in der Evolution größere Genome mit mehr genetischer Information entstehen.


Zellkern von Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand), der die genetische Information enthält.

Abbildung: Holger Puchta, KIT

Verschiedene Mechanismen können zu solchen Verdopplungen führen. In Pflanzengenomen finden sich häufig kürzere DNA-Sequenzen, die tandemartig dupliziert sind. Wie solche Sequenzen entstehen, haben nun Forscher am Botanischen Institut II des KIT herausgefunden.

„Die DNA besteht ja aus zwei gegenläufigen Strängen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Reparatur von deutlich voneinander entfernten Einzelstrangbrüchen in den beiden gegenläufigen Strängen eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Duplikationen in Pflanzengenomen spielt“, erklärt Institutsleiter Professor Holger Puchta.

Wie die Wissenschaftler bei Untersuchungen an der Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) feststellten, führten jeweils zwei solche Einzelstrangbrüche und deren aufeinander abgestimmte Reparatur neben Deletionen, das heißt Auslassungen, regelmäßig zu tandemartigen Duplikationen von kürzeren Sequenzen nahe an den Bruchstellen.

Die Forscher führten die Einzelstrangbrüche gezielt in verschiedenen Regionen des Genoms und in verschiedenen Abständen voneinander herbei und analysierten die Ergebnisse der Reparatur durch DNA-Sequenzierung.

Um die Einzelstrangbrüche punktgenau zu erzeugen, setzten die Karlsruher Forscher eine neuartige „molekulare Schere“ ein – eine spezielle Form des CRISPR/Cas-Systems. „Bisher konnten wir nur mit molekularen Scheren arbeiten, die gleichzeitig beide Stränge schneiden und so einen Doppelstrangbruch in der DNA erzeugen. Mit dem modifizierten CRISPR/Cas System können wir nun erstmals eine Schere einsetzen, die nur einen Strang schneidet. So ist es jetzt möglich, die Reparatur solcher Schäden in der DNA im Detail zu untersuchen“, erläutert Puchta.

Die Bezeichnung CRISPR/Cas steht für einen bestimmten Abschnitt auf der DNA (CRISPR – Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) sowie ein Enzym (Cas), das diesen Abschnitt erkennt und die DNA genau dort schneiden kann. So lassen sich Gene einfach, schnell und präzise entfernen, einfügen oder austauschen.

Holger Puchta war in der Vergangenheit der erste Wissenschaftler überhaupt, der solche molekularen Scheren bei Pflanzen einsetzte. Bei jenen Untersuchungen zeigte er nicht nur, dass sie sich als Werkzeug für gezielte Genomveränderungen nutzen lassen, sondern fand auch heraus, dass Doppelstrangbrüche zu größeren Veränderungen in Pflanzengenomen führen können.

In der neuen Untersuchung, vorgestellt in der Zeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), zeigen die Forscher vom Botanischen Institut II des KIT nun, dass auch die Anwesenheit mehrerer Einzelstrangbrüche in der DNA zu Genomveränderungen führen kann. Solche Einzelstrangbrüche kommen unter natürlichen Bedingungen bei Pflanzen häufig vor, vor allem dann, wenn sie UV-Licht ausgesetzt sind. „Der neu entdeckte Mechanismus ist daher für das Verständnis der Evolution von Pflanzengenomen von großer Wichtigkeit“, sagt Holger Puchta.

Simon Schiml, Friedrich Fauser, and Holger Puchta: Repair of adjacent single-strand breaks is often accompanied by the formation of tandem sequence duplications in plant genomes. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2016. DOI: 10.1073/pnas.1603823113

Weiterer Kontakt: Monika Landgraf, Pressesprecherin, Leitung Presse, Tel.: +49 721 608-48126, Fax: +49 721 608-43658, monika.landgraf@kit.edu

Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) verbindet seine drei Kernaufgaben Forschung, Lehre und Innovation zu einer Mission. Mit rund 9 300 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern sowie 25 000 Studierenden ist das KIT eine der großen natur- und ingenieurwissenschaftlichen Forschungs- und Lehreinrichtungen Europas.

KIT – Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft

Das KIT ist seit 2010 als familiengerechte Hochschule zertifiziert.

Diese Presseinformation ist im Internet abrufbar unter: http://www.kit.edu

Monika Landgraf | Karlsruher Institut für Technologie

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Integrierte Zuckermoleküle schonen Zellkulturen
17.05.2019 | Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP

nachricht Erstmals Einsatz von gefäßschützendem Antikörper bei kardiogenem Schock
17.05.2019 | Deutsches Zentrum für Herz-Kreislauf-Forschung e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Quanten-Cloud-Computing mit Selbstcheck

Mit einem Quanten-Coprozessor in der Cloud stoßen Innsbrucker Physiker die Tür zur Simulation von bisher kaum lösbaren Fragestellungen in der Chemie, Materialforschung oder Hochenergiephysik weit auf. Die Forschungsgruppen um Rainer Blatt und Peter Zoller berichten in der Fachzeitschrift Nature, wie sie Phänomene der Teilchenphysik auf 20 Quantenbits simuliert haben und wie der Quantensimulator das Ergebnis erstmals selbständig überprüft hat.

Aktuell beschäftigen sich viele Wissenschaftler mit der Frage, wie die „Quantenüberlegenheit“ auf heute schon verfügbarer Hardware genutzt werden kann.

Im Focus: Self-repairing batteries

UTokyo engineers develop a way to create high-capacity long-life batteries

Engineers at the University of Tokyo continually pioneer new ways to improve battery technology. Professor Atsuo Yamada and his team recently developed a...

Im Focus: Quantum Cloud Computing with Self-Check

With a quantum coprocessor in the cloud, physicists from Innsbruck, Austria, open the door to the simulation of previously unsolvable problems in chemistry, materials research or high-energy physics. The research groups led by Rainer Blatt and Peter Zoller report in the journal Nature how they simulated particle physics phenomena on 20 quantum bits and how the quantum simulator self-verified the result for the first time.

Many scientists are currently working on investigating how quantum advantage can be exploited on hardware already available today. Three years ago, physicists...

Im Focus: Accelerating quantum technologies with materials processing at the atomic scale

'Quantum technologies' utilise the unique phenomena of quantum superposition and entanglement to encode and process information, with potentially profound benefits to a wide range of information technologies from communications to sensing and computing.

However a major challenge in developing these technologies is that the quantum phenomena are very fragile, and only a handful of physical systems have been...

Im Focus: A step towards probabilistic computing

Working group led by physicist Professor Ulrich Nowak at the University of Konstanz, in collaboration with a team of physicists from Johannes Gutenberg University Mainz, demonstrates how skyrmions can be used for the computer concepts of the future

When it comes to performing a calculation destined to arrive at an exact result, humans are hopelessly inferior to the computer. In other areas, humans are...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

MS Wissenschaft startet Deutschlandtour mit Fraunhofer-KI an Bord

17.05.2019 | Veranstaltungen

Wie sicher ist autonomes Fahren?

16.05.2019 | Veranstaltungen

Chemie – das gemeinsame Element

16.05.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Integrierte Zuckermoleküle schonen Zellkulturen

17.05.2019 | Biowissenschaften Chemie

Erstmals Einsatz von gefäßschützendem Antikörper bei kardiogenem Schock

17.05.2019 | Biowissenschaften Chemie

Additive Maschinen lernen Superlegierungen kennen

17.05.2019 | Maschinenbau

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics