18.06.2021 - Albert-Ludwigs-Universität Freiburg

Eine Fernsteuerung für den Gentransfer

Forschende entwickeln Technologie, um Gene kontrolliert in einzelne Zellen einzubringen

Die Möglichkeit, gewünschte Gene in tierische und menschliche Zellen einzufügen, ist die Grundlage der modernen lebenswissenschaftlichen Forschung sowie von weit verbreiteten biomedizinischen Anwendungen. Die bisher dafür verwendeten Methoden sind zumeist unspezifisch, so dass Wissenschaftler schwer kontrollieren können, wann welche Zelle ein Gen aufnimmt oder nicht. Für diesen Gentransfer werden die Zielgene häufig in so genannte virale Vektoren verpackt. Das sind Viren, in denen ein Teil des Erbguts durch die Zielgene ersetzt wurden. Wenn Forschende diese viralen Vektoren dann zu Zellen geben, schleusen die Vektoren diese Gene in die Zellen ein, wie es zum Beispiel bei den aktuellen SARS-CoV-2-Impfstoffen der Firmen AstraZeneca und Johnson&Johnson geschieht. Das ist der Punkt, an dem es schwierig bis unmöglich ist, zu kontrollieren, in welche Zellen die Zielgene gelangen, da die viralen Vektoren eher unspezifisch an alle Zellen eines Zelltyps andocken. Ein Team von Forschenden des Exzellenzclusters CIBSS - Centre for Integrative Biological Signalling Studies der Universität Freiburg um Dr. Maximilian Hörner, Prof. Dr. Wolfgang Schamel und Prof. Dr. Wilfried Weber hat eine neue Technologie entwickelt, mit der sie Zielgene kontrolliert einschleusen und dadurch Vorgänge in einzelnen ausgewählten Zellen steuern können.

Veränderung eines viralen Vektortyps

In ihrer neuen Methode bringen die Freiburger Forschenden die genetischen Informationen mit einer optischen Fernsteuerung ein. Dadurch nehmen nur Zellen, die mit rotem Licht beleuchtet werden, die gewünschten Gene auf. Die Wissenschaftler veränderten dafür einen viralen Vektortyp, einen so genannten AAV-Vektor, der bereits im klinischen Einsatz ist. „Wir haben dem viralen Vektor die Möglichkeit genommen, an Zellen anzudocken“, erklärt Hörner, „was ein essentieller Schritt ist, bevor das Erbgut eingeschleust werden kann.“

Um die Steuerung per Licht zu ermöglichen, haben die Forschenden das Rotlichtrezeptorsystem der Pflanze Arabidopsis thaliana (Acker-Schmalwand) entnommen: Dieses System besteht aus zwei Proteinen, PhyB und PIF, die aneinander binden, sobald PhyB mit roten Licht angeleuchtet wird. Das Freiburger Team brachte das Protein PIF auf die Oberfläche des viralen Vektors und modifizierte das andere Protein PhyB so, dass es an menschliche Zellen binden kann. Sobald sich dieser modifizierte Vektor, der so genannte OptoAAV, zusammen mit dem zellbindenden Protein in einer Zellkultur befindet, bindet das Protein an alle Zellen. „Wird nun eine ausgewählte Zelle mit rotem Licht beleuchtet, kann an diese Zelle der modifizierte Vektor binden und die Zielgene in die beleuchtete Zelle einschleusen“, erläutert Hörner.

Wichtiger Aspekt der biologischen Signalforschung

Durch diesen neuen Ansatz können die Forschenden innerhalb einer Gewebekultur die Zielgene in die gewünschten Zellen einführen. Zudem gelang es ihnen, die Gewebekultur nacheinander an unterschiedlichen Orten zu beleuchten, um somit unterschiedliche Gene in verschiedene Zellen innerhalb einer Kultur gezielt einzubringen. Mit dieser Technik ist es nun möglich, gewünschte Vorgänge in einzelnen Zellen zu steuern: Das ist essentiell, um zu verstehen, wie eine einzelne Zelle mit den Zellen in ihrer Umgebung kommuniziert, um zum Beispiel die Entwicklung oder Regeneration eines Organs zu steuern. „Da solche viralen Vektoren im therapeutischen Bereich immer häufiger verwendet werden“, sagt Weber, „denken wir, dass diese neue Technologie das Potential hat, um solche biomedizinischen Anwendungen präziser zu gestalten.“

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    Stefan M. Schiller, Jg. 1971, studierte Chemie mit Schwerpunkt Makromolekulare und Biochemie in Gießen, Mainz und an der University of Massachusetts. Er promovierte bis 2003 am Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz über biomimetische Membransysteme, es folgten Forschungsaufentha ... mehr

    Julia M. Wagner

    Julia M. Wagner studierte Pharmazie in Freiburg (Approbation 2008). Seit 2008 ist sie Doktorandin und wissenschaftliche Mitarbeiterin im Arbeitskreis von Professor Dr. M. Jung. In ihrer Forschung beschäftigt sie sich mit der zellulären Wirkung von Histon-Desacetylase-Inhibitoren. mehr

    Prof. Dr. Manfred Jung

    Manfred Jung hat an der Universität Marburg Pharmazie studiert (Approbation 1990) und wurde dort in pharmazeutischer Chemie bei W. Hanefeld promoviert. Nach einem Postdoktorat an der Universität Ottawa, Kanada begann er 1994 am Institut für Pharmazeutische Chemie der Universität Münster mit ... mehr

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