Language
Country/Area
No result found
Das Geheimnis der Genschere: Wie schneiden Restriktionsenzyme DNA so präzise?
In der Welt der Molekularbiologie spielen genetische Scheren eine unverzichtbare Rolle. Diese spezialisierten Enzyme, Restriktionsenzyme genannt, können DNA mit höchster Präzision schneiden. Die Funktionsprinzipien und der historische Hintergrund von Restriktionsenzymen sind wichtige Themen laufender Forschung und Untersuchung in der wissenschaftlichen Gemeinschaft.
Die Funktion von Restriktionsenzymen ist an den Abwehrmechanismen von Bakterien und Archaeen beteiligt, die fremde Virus-DNA zerstören.
Restriktionsenzyme (auch Restriktionsendonukleasen oder REasen genannt) sind eine spezielle Klasse von Enzymen, die DNA in der Nähe spezifischer Erkennungsstellen schneiden können. Diese Enzyme kommen hauptsächlich in Bakterien und Archaeen vor und spielen eine Abwehrfunktion gegen fremde Viren. In einer prokaryotischen Zelle schneiden Restriktionsenzyme selektiv fremde DNA in einem Prozess, der Restriktionsverdauung genannt wird. Die Wirts-DNA wird durch sogenannte modifizierende Enzyme, wie etwa Methyltransferasen, geschützt, die die Wirts-DNA modifizieren und verhindern können, dass sie durch Restriktionsenzyme geschnitten wird. Zusammen bilden diese beiden Prozesse das System zur Modifikation von Restriktionen. Nach jahrzehntelanger Forschung sind mittlerweile über 3.600 Restriktionsendonukleasen bekannt, die meisten davon sind detailliert untersucht und viele sogar kommerziell erhältlich.
Geschichte der Restriktionsenzyme Das Konzept der Restriktionsenzyme wurde erstmals in den 1950er Jahren von Salvador Luria, Jean Weigle und Giuseppe Bertani entdeckt, die den Bakteriophagen Lambda untersuchten, der Bakterien infiziert, und feststellten, dass bestimmte Bakterienstämme in der Lage waren, die Bioverfügbarkeit dieser Phagen zu verringern. Aus diesem Grund werden diese Bakterienstämme als wirtsbeschränkt bezeichnet. Weitere Untersuchungen ergaben, dass die Einschränkung durch ein Enzym verursacht wurde, das speziell als Restriktionsenzym bezeichnet wird. Im Jahr 1970 isolierten und identifizierten Hamilton O. Smith und andere das erste Restriktionsenzym HindII vom Typ II aus Haemophilus influenzae, was dazu führte, dass die Anwendung von Restriktionsenzymen in Laboratorien zunehmend an Bedeutung gewann.Die Entdeckung der Restriktionsenzyme ermöglichte die Manipulation der DNA und führte zur Entwicklung der rekombinanten DNA-Technologie, die über ein breites Anwendungsspektrum verfügt und bei der Massenproduktion von Proteinen wie menschlichem Insulin hilft.
Betrieb der Erkennungsseite
Restriktionsenzyme besitzen die Fähigkeit, spezifische Nukleotidsequenzen genau zu erkennen und an dieser Sequenz doppelsträngige Schnitte zu erzeugen. Diese Erkennungssequenzen bestehen im Allgemeinen aus 4 bis 8 Nukleotiden und beeinflussen deren Häufigkeit im Genom. Viele Restriktionsenzyme erkennen Sequenzen, die palindromisch sind, was bedeutet, dass die Sequenz beim Vorwärts- und Rückwärtslesen identisch ist.
Klassifizierung und Typen von Restriktionsenzymen
Es gibt fünf natürliche Klassifikationen von Restriktionsendonukleasen: Typ I, II, III, IV und V, basierend auf ihrer Zusammensetzung, ihrem Kofaktorbedarf und den charakteristischen Signaturen ihrer Zielsequenzen. Außerhalb des Labors sind Restriktionsenzyme vom Typ II am gebräuchlichsten und lassen sich beim Prozess der Sequenzerkennung und des Schneidens relativ einfach kontrollieren, was es Wissenschaftlern leicht ermöglicht, genetische Manipulationen durchzuführen.
Der Aufstieg künstlicher Restriktionsenzyme
Mit der Weiterentwicklung der Gentechnik hat die Entwicklung künstlicher Restriktionsenzyme mehr Möglichkeiten zur Genmanipulation geboten. Durch die Fusion natürlicher oder künstlich hergestellter DNA-Bindungsdomänen mit Nukleasedomänen können Wissenschaftler Restriktionsenzyme entwickeln, die auf bestimmte DNA-Sequenzen abzielen. Diese künstlichen Restriktionsenzyme wie Zinkfingernukleasen (ZFNs) werden häufig bei der Genomeditierung eingesetzt, und selbst das neue CRISPR-Cas9-System hat die Art und Weise der Genommanipulation revolutioniert.
Derzeit wird an Restriktionsenzymen noch geforscht und ihr Anwendungspotenzial ist nach wie vor groß. Vom Klonen von Genen über die Proteinproduktion bis hin zur Krankheitsbehandlung eröffnet die Existenz von Restriktionsenzymen der Zukunft der Biotechnologie und Gentechnik unbegrenzte Möglichkeiten. Angesichts dieser wissenschaftlichen Fortschritte können wir nicht anders, als uns zu fragen: Wie wird die künftige Entwicklung der genetischen Manipulationstechnologie die Humanmedizin und den Lebensstil verändern?
