Die menschliche Genetikforschung begann mit der Erbse in Ihrer Schüssel

Wenn Sie mich fragen, wessen Name im Biologie-Lehrbuch mir am vertrautesten ist? Dann muss Mendel auf der Liste stehen! Wenn wir Mendel, den Vater der Genetik, erwähnen, denken wir als Erstes an die Erbsenexperimente, die er durchgeführt hat.

Mendels Hauptberuf war Priester in einem Kloster in Brünn (heute die zweitgrößte Stadt der Tschechischen Republik). Schon als junger Student zeigte er Interesse an Tier- und Pflanzengenetik. Auch nach seiner Priesterweihe widmete er sich intensiv der Forschung im Bereich Gartenbau und Agronomie.

Mendel

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Welches Geheimnis der Biologie hat er entdeckt? Welche Inspiration brachte Mendels Entdeckung für die Entwicklung der Wissenschaft in späteren Generationen? Wo stehen die Menschen heute bei der Erforschung der Gene?

1. Mendel und das Erbsenexperiment

Von 1856 bis 1863 pflanzte und testete Mendel persönlich etwa 5.000 Erbsenpflanzen (22 Sorten). Durch den künstlichen Anbau dieser Erbsen beobachtete, zählte und analysierte er akribisch die Merkmale und die Anzahl verschiedener Erbsengenerationen, wie etwa hohe oder niedrige Stiele, runde oder runzelige Körner, graue oder weiße Samenschalen usw. und stellte fest, dass bestimmte Merkmale der Erbsen stabil und regelmäßig an die nächste Generation vererbt werden können.

Durch ein Experiment nach dem anderen entdeckte Mendel die grundlegenden Gesetze der biologischen Vererbung und gelangte zu den entsprechenden mathematischen Gleichungen. Seine Entdeckung ist heute als „ Erstes Mendelsches Gesetz “ (d. h. Mendelsches Gesetz der genetischen Segregation) und „Zweites Mendelsches Gesetz“ (d. h. das Gesetz der unabhängigen Sortimentierung von Genen) bekannt. Dabei handelt es sich um die grundlegenden Gesetze, die die Geheimnisse der biologischen Genetik enthüllen. Im Jahr 1865 fasste Mendel seine Beobachtungen der vergangenen Jahre zusammen und schrieb eine Abhandlung mit dem Titel „Experimente zur Pflanzenkreuzung“.

Zu den Merkmalen von Erbsen, die Mendel in seiner Studie verwendete, zählen die Eigenschaften von Samen, Blüten, Hülsen, Stängeln usw. Dieses Experiment ist auch der Ausgangspunkt für das Wissen über Gene, das wir in unseren Biologiebüchern für die Mittel- und Oberstufe lernen.

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Da es der damaligen wissenschaftlichen Gemeinschaft jedoch an der ideologischen Grundlage für das Verständnis der Mendelschen Gesetze mangelte, wurde diese Abhandlung nicht ernst genommen. Erst im Jahr 1900 entdeckten der Niederländer de Vries, der Deutsche Correns und der Österreicher Cermak gleichzeitig und unabhängig voneinander die Mendelschen Vererbungsgesetze wieder. Dieses bedeutende wissenschaftliche Ereignis in der Geschichte der Wissenschaft wird als Wiederentdeckung der Mendelschen Gesetze bezeichnet. Von da an trat die Genetik in die Mendelsche Ära ein.

2. Gene entschlüsseln und die Geheimnisse des Lebens lüften

Im Jahr 1909 änderte der dänische Biologe Johnson den in Mendels Arbeit verwendeten Begriff „Erbfaktor“ in „Gen“ und schlug die Konzepte „ Phänotyp“ und „Genotyp“ vor.

Im Jahr 1952 wurde nach Infektionsexperimenten der amerikanischen Phagengruppe festgestellt, dass DNA das genetische Material von Organismen ist. Von da an waren DNA und Gene eng miteinander verbunden. Im Jahr 1958 schlug Francis Crick erstmals das „zentrale Dogma“ vor, das die Flussrichtung oder das Übertragungsgesetz genetischer Informationen im Leben erklärte . Infolgedessen ist den Menschen die Bedeutung der Gene zunehmend bewusst geworden.

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Im Jahr 1990 wurde das Humangenomprojekt mit dem Ziel ins Leben gerufen, die Nukleotidsequenz der drei Milliarden Basenpaare zu bestimmen, die in den menschlichen Chromosomen (Haploiden) enthalten sind. Auf diese Weise sollte das menschliche Genom entschlüsselt und die darin enthaltenen Gene und ihre Sequenzen identifiziert werden. Ziel war es, das ultimative Ziel zu erreichen, nämlich die Entschlüsselung der menschlichen genetischen Informationen – das Leben zu entschlüsseln und dadurch den Ursprung des Lebens, die Gesetze von Wachstum und Entwicklung, die Gründe für Unterschiede zwischen Arten und Individuen, die Mechanismen von Krankheiten und Lebensphänomene wie Langlebigkeit und Alterung zu verstehen. So sollte eine wissenschaftliche Grundlage für die Diagnose und Behandlung von Krankheiten geschaffen werden.

Die Struktur eines Bakteriophagen und der Prozess, durch den er eine Zelle infiziert, indem er zunächst DNA in die Zelle injiziert, dann die DNA innerhalb der Zelle repliziert und schließlich zum Absterben der Zelle führt.

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Angesichts dessen fragen Sie sich vielleicht: Können wir nach Abschluss des Humangenomprojekts die in den letzten Jahren sehr beliebte Technologie zur Genomeditierung nutzen, um Gene künstlich zu verändern? Wenn beispielsweise das Gen, das die einfachen Augenlider steuert, in ein Gen für doppelte Augenlider umgewandelt wird, dann müssen Menschen, die doppelte Augenlider mögen, nicht länger doppelte Augenlider verkleben oder sich einer Schönheitsoperation unterziehen, oder? Wird das wirklich funktionieren?

3. Was ist Genomeditierung?

Bei der Genomeditierung handelt es sich, wie der Name schon sagt, um eine Technologie zur Bearbeitung und Transformation von Zielgenen. Es handelt sich um eine gentechnische Technologie, mit der bestimmte Zielgene im Genom eines Organismus verändert werden können. Theoretisch können wir das Gen, das die einzelnen Augenlider steuert, in ein Gen „umwandeln“, das die doppelten Augenlider steuert.

Die derzeit weltweit am weitesten verbreitete Technologie zur Genombearbeitung ist CRISPR/Cas9. Mit dieser Technologie kann das Genom durch „Ausschneiden und Einfügen“ von Desoxyribonukleinsäuresequenzen (DNA) bearbeitet werden. Es kann die Gene von Tieren, Pflanzen und Bakterien bearbeiten. Es verfügt über ein breites Anwendungsspektrum. Damit können nicht nur die Funktionen verschiedener Gene bei Tieren und Pflanzen untersucht werden, sondern es kann auch im Bereich der Gentherapie beim Menschen eingesetzt werden.

Bildlich gesprochen ist Cas9 wie eine Schere/ein Schraubenschlüssel, der die DNA an einer bestimmten Stelle durchtrennen kann, um das Genom zu editieren.

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Das CRISPR/Cas9-System wurde erstmals in Escherichia coli entdeckt. Bei der Untersuchung der Gene der Bakterien entdeckten Wissenschaftler zufällig eine repetitive palindromische Sequenz, d. h. bestimmte Basenpaare an beiden Enden der Sequenz wiederholten sich. Diese Art von Code wurde später in den Genomen vieler Bakterien gefunden. Einige Wissenschaftler erkannten, dass dies definitiv kein Zufall war. Nach sorgfältiger Forschung fanden sie heraus, dass diese Art von Code ein Werkzeug für Bakterien sein sollte, um der Invasion fremder DNA zu widerstehen.

Nachfolgende Studienreihen haben gezeigt, dass das CRISPR/Cas9-System Fragmente eindringender Phagen- und Plasmid-DNA in CRISPR integrieren und entsprechende CRISPR-RNAs (crRNAs) verwenden kann, um den Abbau homologer Sequenzen zu steuern und so Immunität zu erzeugen.

Angesichts dessen glaube ich, dass jeder bereits herausgefunden hat, dass die Ziel-DNA bearbeitet werden kann, solange dieser Codon-Typ gezielt modifiziert wird, sodass er bestimmte DNA-Fragmente abbauen kann.

Bald bestätigten die Strukturbiologen Jennifer Doudna von der University of California, Berkeley, und Emmanuel Charpentier von der Universität Umeå in Schweden diese Idee durch In-vitro-Experimente. Dann nutzte jemand das CRISPR/Cas-System, um die Gene bei Zebrafischen, Pilzen und Bakterien zu bearbeiten, und das Labor von Zhang Feng wandte es erfolgreich auf Säugetierzellen an.

Genetisch veränderte Schweine, hergestellt mit der CRISPR/Cas9-Technologie

(Bildquelle: Journal of Biomedical Engineering)

Heute ist die CRISPR/Cas9-Gen-Editierungstechnologie eine der wichtigsten Revolutionen in Biologie und Medizin. Es gelang, präzise Genommodifikationen bei Fruchtfliegen, Fadenwürmern, Ratten, Schweinen, Schafen sowie Reis, Weizen, Sorghum und vielen anderen Organismen durchzuführen. Es bietet sogar große Anwendungsaussichten im Anwendungsbereich der Gentherapie für einige Krankheiten, wie etwa Blutkrankheiten, Tumore und andere genetische Erkrankungen.

Mit zunehmender Vertrautheit mit der CRISPR/Cas9-Technologie zur Genombearbeitung wurden auch deren Mängel, insbesondere die schwerwiegenden Nebenwirkungen, entdeckt. Da das CRISPR/Cas9-System lediglich eine versehentliche Beschädigung der bakteriellen DNA vermeiden muss, kann es bei der Verwendung zur Genbearbeitung aufgrund ungenauer Zielerkennung, ungenauer Schnitte oder der Unfähigkeit, die Schnittstelle präzise zu bearbeiten, möglicherweise nicht in der Lage sein, die Bearbeitung des Zielgens abzuschließen. Daher werden ständig neue Technologien entwickelt und ich bin davon überzeugt, dass die Genomeditierung in Zukunft ausgereifter sein wird.

Zurück zum Thema der einzelnen Augenlidgene: Können wir die Gen-Editierungstechnologie nutzen, um uns schöner zu machen? Theoretisch ist dies möglich, allerdings muss die Korrektur bereits im befruchteten Ei erfolgen, um sicherzustellen, dass Sie als Erwachsene doppelte Augenlider haben.

Eigentlich besteht kein Grund zur Sorge. Es ist die genetische Vielfalt, die die Menschen unterschiedlich macht und die Schönheit eines jeden Menschen einzigartig macht. Anstatt uns auf die Genbearbeitung zu verlassen, um unser Aussehen zu verändern, sollten wir vielleicht lernen, uns selbst aus tiefstem Herzen wertzuschätzen und unsere einzigartige Schönheit zu akzeptieren.

Quellen:

Gao Mengyu, Yang Guang, Bao Ji. Forschungsfortschritte im medizinischen Bereich der Züchtung gentechnisch veränderter Schweine mithilfe der CRISPR/Cas9-Technologie. Journal of Biomedical Engineering, 2018, 35(4): 637-642.

[2]Doudna, JA, & Charpentier, E. . (2014). Die neue Grenze der Genomtechnik mit Crispr-Cas9. Science, 346(6213), 1258096.

[3]Hsu, P., Lander, E., & Zhang, F. (2014). Entwicklung und Anwendung von Crispr-Cas9 für die Genomtechnik. Cell, 157(6), 1262-1278.

[4]Comfort, N. . (2017). Ein Riss in der Schöpfung: Genbearbeitung und die unvorstellbare Macht, die Evolution zu kontrollieren. Nature, 546(7656), 30-31.

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Lu Xiaowei (Institut für Mikrobiologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo