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Forschung am Botanischen Institut II

Genetik der Vererbung
Bei diesem Stichwort werden die meisten an Johann Gregor Mendel (1822-1884) denken – denn er war es, der anhand seiner Kreuzungsexperimente mit Erbsen erstmals quantitativ die Gesetze der Vererbung beschrieb und die nach ihm benannten Mendelschen Regeln aufstellte. Die wenigsten jedoch dürften wissen, dass diese grundlegenden Beobachtungen bereits schon etwa 100 Jahre früher gemacht wurden – und zwar durch Joseph Gottlieb Kölreuter (1733-1806) hier in Karlsruhe! Er arbeitete mit klar unterscheidbaren Tabak-Arten und konnte zeigen, dass beide Elternteile ihren Beitrag zur Gestalt der Nachkommen leisten und dass deren Nachkommen wiederum teilweise neue Merkmals-Kombinationen aufweisen. Worauf jedoch sind diese neuen Kombinationen zurückzuführen? In der Tat kommt es zu neuen Kombinationen von Merkmalen und diese wiederum beruhen auf der Neukombination (Rekombination) der Erbinformation.

DNA-Rekombination
Unter DNA-Rekombination versteht man die Neu- oder Wiederverknüpfung von DNA-Molekülen. Die Rekombination stellt die Grundlage für die genetische Vielfalt dar, denn sie ist für den präzisen Austausch von Sequenzabschnitten zwischen den elterlichen Chromosomen während der Meiose verantwortlich. Rekombinations-Vorgänge sind auch von entscheidender Bedeutung für die Reparatur von besonders schwerwiegenden DNA-Schäden, so genannten Doppelstrangbrüchen, die für eine betroffene Zelle sonst in der Regel letal sind. Außerdem ist die Rekombination von DNA-Molekülen die Basis der stabilen genetischen Transformation, bei der neu in eine Zelle eingebrachte Sequenzen mit der Erbinformation verknüpft werden. Grundsätzlich unterscheidet man bei Rekombinations-Vorgängen zwischen homologer Rekombination und nicht-homologer Rekombination (Abbildung 1).

 

Abbildung 1: DNA-Rekombination. Die Wiederverknüpfung freier Enden von DNA-Doppelstrangbrüchen kann grundsätzlich durch zwei Mechanismen erfolgen: bei der homologen Rekombination werden für die Reparatur eines Bruches identische (homologe) Sequenzen im Genom herangezogen und kopiert, wodurch die beschädigte Stelle meist fehlerfrei repariert wird.  Alternativ können die Bruchenden an den direkt beschädigten Stellen zurückgeschnitten und anschließend direkt miteinander verbunden werden (nicht-homologe Rekombination), was Deletionen zur Folge hat.


Wir möchten verstehen, wie bei Pflanzen diese Rekombinations-Prozesse ablaufen, welche Faktoren daran beteiligt sind und wie diese zusammenarbeiten – oder manchmal gegensätzliche Funktionen ausüben. Diese Erkenntnisse wollen wir nutzen, um zum Einen neue Fragen zu stellen und zum Anderen, um sie gezielt biotechnologisch anzuwenden.

Wie werden am Botanischen Institut II diese Fragen gestellt und beantwortet? Was ist unser Modell-Organismus? Welches sind die Schwerpunkte unserer Forschung und welche Methoden kommen hierbei zum Einsatz? Einen kurzen Überblick gibt es hier, genauere Informationen finden Sie im untenstehenden Text verlinkt!

Mutanten-Analyse: die Charakterisierung verschiedener T-DNA-Insertions-Mutanten von DNA-Reparaturgenen erlaubt es uns, herauszufinden, ob ein Gen oder vielmehr das von ihm kodierte Protein für die Beseitigung bestimmter DNA-Schäden essentiell ist. So werden Arabidopsis-Mutanten z.B. auf Nährböden angezogen und dann über einen definierten Zeitraum hinweg mit unterschiedlichen DNA-schädigenden Substanzen behandelt. Je nachdem, ob das ausgeschaltete Gen von Bedeutung für die Reparatur der verursachten Schäden ist, können die Pflanzen schlechter wachsen oder auch nicht. Dies lässt sich sehr einfach als Biomasse-Zunahme in Form von Frisch- oder Trockengewichts-Bestimmungen zeigen. Auf diese Weise werden an unserem Lehrstuhl unter anderem Mutanten der RecQ-Gene untersucht, welche eine sehr wichtige Rolle für die Genomstabilität spielen. Eine andere Arbeitsgruppe befasst sich mit der Analyse von Brustkrebs-Genen in Arabidopsis, diese Gene sind von entscheidender Bedeutung für die Regulation und den Ablauf von DNA-Rekombinations-Prozessen. Verschiedene Gene, die für die DNA-Reparatur von Bedeutung sind, spielen auch eine Rolle bei der Rekombination des Erbgutes in der Meiose – ein weiterer Schwerpunkt unserer Forschung.

Biochemie der DNA-Rekombination bei Pflanzen: die Analyse von Arabidopsis-Mutanten liefert zahlreiche wichtige Hinweise darauf, in welche Prozesse eine bestimmtes Protein involviert sein könnte. Eine konkrete Aussage über seine Funktion in der pflanzlichen Zelle lässt sich aber erst durch biochemische Charakterisierungen der DNA-Reparatur-Enzyme treffen, bei denen rekombinante oder native DNA-Reparaturenzyme aus Arabidopsis mit verschiedenen DNA-Substraten inkubiert werden, um ihre Aktivitäten genau analysieren zu können.

DNA-Rekombination und Grüne Biotechnologie: alle Methoden zur Herstellung transgener Pflanzen basieren auf Rekombinations-Vorgängen, also der Neukombination der ursprünglichen genetischen Information mit den neu eingebrachten Sequenzen. Hierzu ist es notwendig, die Mechanismen der DNA-Rekombination zu verstehen und diese zur Optimierung vorhandener Methoden oder der Entwicklung neuer Ansätze diese Erkenntnisse für biotechnologische Applikationen zu verwenden.