Epigenetische Inaktivierung von Transgenen in Pflanzen

Wittgenstein-Preis Z 21Epigenetische Inaktivierung von Transgenen in PflanzenMarjori und Antonius MATZKE20.06.1997 In das Gebiet der Epigenetik fallen potentiell reversible Änderungen von Genexpression denen keine Änderung in der Nukleotidsequenz zu Grunde liegen. Epigenetische Kontrollen von Genexpression sind für die normale Entwicklung von Pflanzen und Tieren essentiell. In einigen Fällen kann die Beeinträchtigung von diesen Kontrollen zu Krankheiten beim Menschen beitragen. Unsere Gruppe war die erste die über eine neuartige Form der epigenetischen Inaktivierung von Genen berichtete, die durch Wechselwirkung zwischen homologen Nukleinsäuren in somatischen Zellen hervorgerufen wird. Verschiedene Varianten dieses Typs von Geninaktivierung wurde in der Folge in verschiedenen Organismen identifiziert und werden nun intensiv von vielen Gruppen weltweit studiert. Geninaktivierung, die auf dem Erkennen von Nukleinsäure-Komplementarität beruht scheinen Abwehrmecha- nismen zu parasitären Sequenzen, wie Transposons, Viren und Viroide zu reflektieren. Diese Abwehrmechanismen wurden anscheinend während der Evolution für die Etablierung von epigenetischen Kontrollmechanismen verwendet, und sind daher für die Evolution von Pflanzen und Tieren von großer Bedeutung. Ungewollte epigenetische Inaktivierung von Transgenen in gentechnisch modifizierte Pflanzen ist ein Problem der Pflanzengentechnologie. Um die Umstände für stabile Genexpression in transgenen Pflanzen zu charakterisieren haben wir die bis jetzt vollständigste molekulare und cytogenetische Analyse einer Vielzahl von genetisch sehr gut charakterisierten Transgenen Tabakpflanzen durchgeführt. Diese Arbeiten haben zur Identifizierung von verschiedenen neuen pflanzlichen repetetiven DNA Sequenzen geführt, unter anderem auch zur Entdeckung von Sequenzen eines unbekannten Pflanzenvirus. Diese Untersuchung ist die erste ihrer Art, die die häufige Integration von viraler DNA in ein Pflanzengenom aufzeigt, und somit den Beitrag solcher Sequenzen für die Evolution von Pflanzen beweist.

In verschiedenen Zelltypen von Pflanzen und Tieren ist jeweils nur eine Untergruppe von Genen aktiv und exprimiert. Der Rest der genetischen Information muss stabil stillgelegt bleiben, andernfalls ist die Entwicklung des Organismus beeinträchtigt oder es tritt Krankheit auf. Um zu studieren wie genetisch stillgelegte Zustände erzeugt und beibehalten werden, verwenden wir die eine kleine Pflanze, Arabidopsis oder Ackerschmalwand als Modellsystem. Die Pflanze Arabidopsis scheint viele der gleichen Mechanismen zum Stilllegen von Genen zu verwenden so wie Tiere. Aus diesem Grund können wir von Pflanzen Dinge lernen die letztendlich für die menschliche Gesundheit wichtig sind. Unsere Gruppe ist an einer speziellen Art von Gen-Inaktivierung interessiert, der sogenannten Homologie- abhängigen Gen-Inaktivierung, in welchem die Inaktivierung durch Wechselwirkung zwischen Nucleinsäuren (Ribonucleinsäure: RNA, Desoxyribonukleinsäure: DNA), die eine identische Sequenz besitzen ausgelöst wird. Wir studieren eine unerwartete regulierende Rolle für RNA in Induktion von chemischen Veränderungen in DNA, welche die Stilllegung von Genen bewirkt. Die Veränderungen führen nicht zu einer Änderung der DNA Sequenz sondern zu einem Anfügen einer Methylgruppe an Cytosine in der DNA. Dieser Prozess wird als RNA abhängige DNA Methylierung bezeichnet. Von unseren Arbeiten - Erzeugung von Arabidopsis Mutanten die in RNA abhängiger DNA Methylierung defekt sind, versuchen wir einen Pfad für diesen Prozess zusammenzusetzen. Wir studieren auch die Natur des RNA Signals das DNA Methylierung bewirken kann. Wir fanden heraus, dass die RNA zuerst doppelsträngig sein muss, dann in winzige RNAs prozessiert wird, die dann, so glauben wir, tatsächlich das Signal für Methylierung sind. Um die andere mögliche Art von Gen-Inaktivierungs Mechanismus: DNA - DNA Wechselwirkungen, zu studieren - haben wir in Arabidopsis ein System etabliert welches uns erlaubt Gene die mit fluoreszierenden Proteinen markiert sind in den Zellkernen lebender Pflanzen unter dem Fluorezenzmikroskop zu beobachten. Im zweiten Aspekt unserer Arbeiten, analysieren wir Virus Sequenzen die Bestandteil von Pflanzenchromosomen sind. Ähnlich zum menschlichen Genom, welches mindestens zu 8% von Viren abgeleitet ist, enthalten viele Pflanzengenome grosse Mengen von so-genannten "Endogenen Viren". Dies sind virale Sequenzen, die in Pflanzen DNA integriert vorliegen. Wir studieren wie diese Sequenzen zur Zusammensetzung und Evolution von Pflanzengenomen beitragen, und auch wie sie eine Pflanze resistent zur freien Form eines Virus machen können (durch einen Gen-Inaktivierungs Mechanismus?). Wir studieren "Endogene Viren" in Tabak und Tomate.