An winzig kleinen Würmern können Wissenschaftler jetzt die Auswirkungen von Tausenden genetischer Mutationen auf einen Schlag testen.
Eine neue von Forschern der University of Oregon (UO) entwickelte Gen-Editing-Technik komprimiert die zuvor jahrelange Arbeit auf nur wenige Tage und ermöglicht so neue Arten der Forschung in Tiermodellen. Es wird Biologen ermöglichen, Experimente durchzuführen, die viele Versionen eines Gens vergleichen, nach Mutationen suchen, die zu bestimmten Merkmalen führen, und ihre Entwicklung im Laufe der Zeit verfolgen.
Solche Forschung ist oft ein erster Schritt zur Identifizierung von Mutationen, die für die menschliche Gesundheit relevant sind, oder zur Entschlüsselung der Mechanismen hinter menschlichen Krankheiten.
Während Massenbearbeitungstricks für einzellige Organismen wie Bakterien und Hefen entwickelt wurden, ist dies das erste Mal, dass dies in diesem Ausmaß bei einem Tier möglich ist.
„In der Biologie verbringen wir viel Zeit damit, mit genetischen Mutanten zu arbeiten. Aber bei Tieren sind wir dadurch begrenzt, wie viele genetische Mutanten wir gleichzeitig herstellen können“, sagt Zach Stevenson, ein Doktorand im Labor von Patrick Phillips an der UO der half, die Technik zu entwickeln. „Das ist ein Weg, um diesen Engpass zu umgehen.“
Stevenson und seine Kollegen beschreiben ihre neue Technik in einem Preprint, der auf bioRxiv veröffentlicht wurde.
Sie haben das System in C. elegans pilotiert, einem winzigen Wurm, der eine beliebte Art für die biologische Forschung ist. Ein ähnlicher Ansatz könnte schließlich auch bei anderen Labortieren wie Fliegen oder Mäusen funktionieren, sagte Stevenson.
„Die gentechnische Veränderung der DNA von Mikroben hat in den letzten drei Jahrzehnten als Grundlage der Revolution in der Biotechnologie gedient, aber es war schwierig, dies in tierischen Systemen im großen Maßstab durchzuführen“, sagte Phillips. „Der in unserem Labor entwickelte neue Ansatz kann als Plattform für eine völlig neue Art der Verwendung eines einfachen Tieres als Grundlage für die synthetische Biologie dienen, so wie Bakterien und Hefen seit einer Generation verwendet werden.“
Es gibt viele Gründe, warum Wissenschaftler die Fähigkeit wünschen, viele genetische Mutationen auf einmal zu erzeugen. Sie könnten beispielsweise nach einer Mutation suchen, die ein Tier gegen ein bestimmtes Medikament resistent oder unter bestimmten Bedingungen besser überlebensfähig oder weniger anfällig für eine Krankheit machen könnte. Sie müssen möglicherweise Dutzende oder sogar Hunderte von möglichen Variationen eines Gens untersuchen, um die effektivste zu finden.
Diese Art von Experimenten ist bei Tieren mühsam langsam. Jeder Mutantenstamm – eine Gruppe von Würmern mit einer bestimmten genetischen Modifikation – muss einzeln hergestellt werden. Die Herstellung einer Mutante „dauert normalerweise zwischen sieben und zehn Stunden praktischer Zeit“, sagte Stevenson. Mit diesem neuen System „können Sie mit der gleichen Arbeit, drei oder vier Mutationen herzustellen, Zehntausende herstellen.“
Um die Dinge zu beschleunigen, haben Stevenson und seine Kollegen eine Möglichkeit entwickelt, Hunderte oder sogar Tausende möglicher Mutationen in einer einzigen „Bibliothek“ zu komprimieren. Jedes Buch in der Bibliothek ist ein kleines Stück genetischen Codes, bedeutungslos und für sich genommen nicht funktionsfähig. Jeder Schnipsel passt in eine konstruierte Lücke im Gen, auf das abgezielt wird, wie ein genetisches Mad Libs-Puzzle.
Dieses Design bedeutet, dass Forscher, anstatt viele einzelne Würmer einzeln mit verschiedenen Versionen eines Gens zu injizieren, die gesamte Mutationsbibliothek in einen Wurm injizieren können.
Wenn sich der Wurm dann reproduziert, wird die Bibliothek erweitert. In jedem Nachkommen wird ein Buch aus der Mutationsbibliothek zufällig ausgewählt, um das Zielgen zu vervollständigen. Wenn ein Segment aus der Genbibliothek hineingleitet, aktiviert es das Gen, als würde man einen Schalter umlegen, um einen Stromkreis zu schließen.
Das Ergebnis: eine Sammlung von Würmern, die alle unterschiedliche zufällig ausgewählte genetische Mutationen aufweisen.
Die Forscher nannten ihre Technik TARDIS – eine spielerische Anspielung auf Dr. Whos raum- und zeitreisende Polizeibox. Hier steht es für Transgenic Arrays Resulting in Diversity of Integrated Sequences. Wie die fiktive TARDIS ist der Wurm „innen größer“, sagt Stevenson. (Das heißt, es enthält viel zusätzliches genetisches Material.)
Die Forscher testeten TARDIS mit einem Gen, das Würmern Antibiotikaresistenz verleiht. Aber sie sehen breite Anwendungen für die Biologie im Allgemeinen, einschließlich der Forschung an anderen Modellorganismen.
Es könnte besonders nützlich sein, um Wechselwirkungen zwischen Proteinen oder die Signalübertragung zwischen Zellen zu untersuchen, schlägt UO-Forschungsprofessor Stephen Banse vor, der an der Entwicklung von TARDIS mitgewirkt hat. Solche Wechselwirkungen sind oft für das Verständnis von Krankheiten relevant, aber Wissenschaftler verlieren wichtigen Kontext, wenn sie sie in Hefen oder Bakterien untersuchen, sagte Banse. „Jetzt können wir diese Dinge in einem Tiermodell tun.“
Mehr Informationen:
Zachary Christopher Stevenson et al., High-Throughput Library Transgenese in Caenorhabditis elegans via Transgenic Arrays Resulting in Diversity of Integrated Sequences (TARDIS), (2022). DOI: 10.1101/2022.10.30.514301