Programmierbare Präzision: Eiweiße aus Pflanzenerregern begeistern die Biotech-Branche

Bakterielle Krankheitserreger sind nicht nur als unsichtbare Auslöser von Nahrungsmittelvergiftungen und ansteckenden Krankheiten gefürchtet. Sie infizieren auch Pflanzen und führen damit jedes Jahr weltweit zu erheblichen Ernteausfällen. Xanthomonas-Bakterien sind solche Erreger, die Reis, Weizen, Zitrusfrüchte und viele andere Kulturpflanzen befallen. Geschwärzte oder faule Blätter und Stängel sind einige typische Symptome, wenn die Bakterien die Leitungsbahnen der Pflanzen verstopfen oder Zellen absterben lassen.

Dabei nutzt Xanthomonas eine besonders elegante Strategie, um Wirtszellen zu infizieren und zu steuern. Mit Hilfe seiner Zellmembran formt es eine Art natürliche Nadel und spritzt Eiweiße direkt in die Wirtszellen. Dieses Sekretionssystem hat es mit dem EHEC-Erreger und Salmonellen gemein, die damit Menschen und Tiere infizieren. Gelangen die injizierten Eiweiße in den Zellkern, docken sie an spezielle Gene im Erbgut der Pflanze an und aktivieren diese. Das Bakterium bringt die Pflanze so dazu, es mit Nährstoffen zu versorgen und beispielsweise Zuckermoleküle in die Bakterienzelle zu transportieren. Die Genauigkeit, mit der diese Eiweiße nur an bestimmte Gene binden fasziniert Wissenschaftler und Biotechnologen, denn mit solchen Instrumenten ließen sich auch Gene zu therapeutischen Zwecken gezielt manipulieren.

Mit der Entwicklung einer neuen Gentechnik sind Biologen der Martin-Luther Universität Halle-Wittenberg (MLU) dieser Vision einen Schritt näher gekommen. Die Abteilung Pflanzengenetik am Institut für Biologie der MLU forscht seit über 13 Jahren unter der Leitung Ulla Bonas an den Wechselwirkungen zwischen Xanthomonas und seinen Wirtspflanzen. Die Pflanzenforscherin wurde gerade mit dem Leibniz-Preis ausgezeichnet- unter anderem für die Entdeckung der gensteuernden Xanthomonas-Eiweiße, die mittlerweile als TAL-Effektoren bekannt sind.

TALE („transcription activator–like effectors“) ermöglicht eine exakt programmierbare DNA-Spezifität. Das System funktioniert als spezifischer Genschalter in Pflanzen wie auch im Menschen. Die Genauigkeit, mit der diese programmierten Eiweiße nur an bestimmte Gene binden, eröffnet vielfältige Einsatzmöglichkeiten. Von einer gezielten Veränderung des Pflanzengenoms bis hin zur medizinischen Forschung und der Entwicklung von neuen Therapeutika reichen die Anwendungspotenziale von TALE.
(Quelle: © Jens Boch / Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg)
Auch Jens Boch forscht bereits seit 1999 als Arbeitsgruppenleiter des Institutes an Xanthomonas-Effektoren. Zusammen mit Bonas konnte er erstmalig nachweisen, wie unterschiedliche TAL-Effektoren bestimmte Gene erkennen und aktivieren. Die ungefähr 100 bekannten Varianten von TAL-Effektoren unterscheiden sich demnach in der Anzahl und Abfolge bestimmter DNA-Bindungsmodule. Wie in einem Reißverschlussprinzip passt dabei eine Serie von Modulen immer genau zu einer entsprechenden DNA-Bausteinabfolge. „Als wir 2009 zeigen konnten, dass sich die Zielgene von TAL-Effektoren anhand dieser Module exakt vorhersagen lassen, konnte man es zunächst gar nicht glauben“, erinnert sich Boch. Dabei sind TAL-Effektoren nicht die einzigen bekannten Eiweiße, die Gene spezifisch erkennen können. Viele Eiweiße von Menschen, Tieren und Pflanzen enthalten sogenannte Zinkfinger-Module, mit denen sie ebenfalls gezielt an Gene binden und diese ein- oder ausschalten. Solche Eiweiße waren bisher die Hoffnungsträger der Biotechnologie, denn mit ihnen war es bereits gelungen, Krebsgene in Mäusezellen zu blockieren. Allerdings ist ihre Konstruktion bisher noch zeitaufwendig und teuer. Auch lässt sich im Vorfeld keine hundertprozentige Prognose machen, ob das synthetische Produkt ausschließlich an der geplanten Stelle im Erbgut bindet.

Boch ist zuversichtlich, dass TAL-Effektoren, solche Nachteile ausgleichen können. In Zusammenarbeit mit Sven-Erik Behrens vom Institut für Biotechnologie und Biochemie der MLU hat seine Arbeitsgruppe eine Methode entwickelt, mit der sich TAL-Effektoren schnell und einfach zusammenbauen und so auf die Bindung an bestimmte Gene programmieren lassen. „Es funktioniert wie ein Baukastenprinzip, mit dem wir die Anzahl und Art der DNA-Bindungsmodule in unterschiedlicher Weise kombinieren können“, erklärt Boch. Mit einem Trick gelang den Forschern zudem ein weiterer Durchbruch. Indem sie eine Aktivierungsdomäne des menschlichen Herpes-Virus einbauten, funktionierten die umprogrammierten Effektoren auch in menschlichen Zellen und schalteten dort gezielt Gene des Immunsystems an.

Die Programmierbarkeit von TAL-Effektoren ist für Biotechnologen eine Sensation. Nach der Veröffentlichung der Studie erhielt Boch gleich mehrere Anrufe, darunter auch von interessierten Firmen aus der Biotech-Branche. „Die Möglichkeiten solche modulierten TAL-Effektoren zu nutzen sind unglaublich vielfältig“, so Boch. „Mit ihnen lassen sich bestimmte Gene gezielt aktivieren oder blocken. Kombiniert mit beispielsweise DNA-spaltenden Enzymen, können defekte Gene ausgetauscht oder korrigiert werden. Außerdem ist der Xanthomonas-Erreger für den Menschen völlig ungefährlich.“ So hat die französische Firma Cellectis in diesem Jahr bereits den ersten synthetischen TAL-Effektor auf den Markt gebracht, mit dem sich das Erbgut wie mit einer Schere an einem bestimmten Genort schneiden lässt.

Mittlerweile besitzt Bochs Labor eine umfassende TAL-Modul-Bibliothek, mit der sich Serien von Effektor-Modulen in unterschiedlichen Kombinationen herstellen lassen. „Unsere Methode ist so optimiert, dass ein Student innerhalb weniger Tage seinen gewünschten TAL-Effektor auf ein bestimmtes Zielgen programmieren kann. Für die Produktion eines Effektors mit Zinkfinger-Modulen benötigt man momentan noch mehrere Wochen.“

Jens Boch freut sich jetzt auf die weitere Zusammenarbeit mit Sven-Erik Behrens. In zukünftigen Experimenten wollen die Forscher beispielsweise aufklären, warum sich in ihrer Studie manche menschlichen Gene stärker mit TAL-Effektoren aktivieren ließen als andere. Darüber hinaus planen Boch und seine Forschungspartner zukünftig eng mit der Biotechnologie-Branche zusammenzuarbeiten, um das therapeutische Potential von TAL-Effektoren auszuschöpfen. „Ich finde es wirklich spannend, dass ausgerechnet Effektoren aus einem pflanzenpathogenen Organismus zur Anwendung in der Humantherapie entwickelt werden“.

Quelle:
R. Geissler et al. (2011) Transcriptional Activators of Human Genes with Programmable DNA-Specificity. PLoS ONE 6(5): e19509. doi:10.1371/journal.pone.0019509.

Zum Weiterlesen:
J. Boch (2011) TALEs of genome targeting”; Nature Biotechnology 29, 135–136 doi:10.1038/nbt.1767.

T. E. B. Stradal & S. Backert (2010) Wirt-Pathogen-Interaktion: Wie EHEC das Aktinzytoskelett der Wirtszelle beeinflussen“; BIOspektrum.