Hírlevél: 2017 Május - Június

Célzott mutagenezis – a precíziós nemesítés új módszere

Dudits Dénes, MTA SZBK
Tudástár, 2017-07-11 10:25:05

Minden időkben a fajtaelőállító nemesítés kulcsszerepet játszott az agrár-innovációban, hiszen a termesztett növények és tenyészett állatok genetikai képességének folyamatos javítása az agrártevékenység jövedelmezőségét alapjaiban befolyásolja. A hagyományos nemesítési módszerek, mint a szelekció, a keresztezés vagy akár a poliploidizáció az érintett gének ismerete nélkül, véletlenszerűen módosítják egy adott élőlény génösszetételét, hiszen még az intenzív fajták nemesítői is csak a felszínen megjelenő tulajdonságokat értékelik. A nemesítés eredményességében lényegi javulást tesz lehetővé a molekuláris technikák alkalmazása, amikor célzottan történhet a DNS szerkezetének, működésének megváltoztatása. Különösen nagy jelentőségű az ún. genomszerkesztési módszerek kidolgozása, melyekkel egy kiválasztott célgén egyetlen molekulájának, nukleotidjának a kicserélésével lehet a megtervezett funkciójú fehérje szintézisét, és a kívánt új tulajdonság megjelenését biztosítani. Lényegében megvalósíthatóvá vált a célzott mutációk létrehozása, akár idegen gén beépítése nélkül is. A precíziós nemesítés mind több terméke jelenik meg a világon, és ezzel a fajta-előállítók versenye új szakaszba kerül. Ez az innovációs kihívás igen lényeges mezőgazdaságunk jövőbeni versenyképessége szempontjából is. Magyarország agráriuma az új technológiák révén lehetőséget kap arra, hogy a transzgenikus fajták (GMO-k) termesztésének tiltásából fakadó ellentmondásoktól megszabaduljon, és a hazai genomszerkesztési kutatások teret nyerjenek, amelyek a precíziós nemesítés eredményein keresztül a magyar gazdák érdekeit szolgálják.

A hirtelen fellépő örökletes megváltozások, a mutációk a biológiai sokféleség forrásai a természetben és a sikeres nemesítés alapanyagai

Az emberi beavatkozás nélküli, spontán módon bekövetkező genetikai változások minden 100 milliomodik nukleotidot érinthetik. Az így létrejött variabilitás fontos forrása a természetben zajló evolúciónak. A növények nemesítése során, az eredményesség érdekében szükség van arra, hogy a mutációk gyakoriságát mesterségesen növeljük. Kémiai mutagénekkel, vagy besugárzással elérhető, hogy 1000 nukleotidonként egy mutáció történjen. Bár a mutációs nemesítés sikerét több mint 3100 elismert növényfajta tanúsítja, korlátot jelent, hogy az indukált mutációs események irányíthatatlanul érinthetik a genom bármely részét. Ezért párhuzamosan több technológia kifejlesztése is folyik, hogy egy kiválasztott gén meghatározott nukleotidjának kicserélésével tervezetten legyen megváltoztatható a kódolt fehérje szerkezete, és ezzel megszülethessenek a kívánt tulajdonsággal rendelkező növények, állatok.

Szintetikus DNS-molekulák, oligonukleotidok, mint génspecifikus mutagének

Az irányított mutagenezis speciális változata, amikor rövid, 25-150 nukleotidból álló, kémiai szintézissel előállított DNS molekula, oligonukleotid (ON) szolgál egy kiválasztott célgén specifikus megváltoztatására. Az oligonukleotid-irányított mutagenezis (ONIM) igen vázlatos mechanizmusát mutatja be a mellékelt ábra A része. Az ON-molekulák csak a DNS kettős spirál nyitott állapotában képesek kötődni a kiválasztott célgén szekvencia szakaszához, nukleobázisaik kapcsolódási szabályai alapján. Az ON szintézise során a kívánt mutáció beépítése érdekében elhelyezett új nukleobázis párosodási zavart okoz, mert nem képes kapcsolódni a gazda DNS azonos pozíciójú nukleotidjával. Ez a zavar, ami a DNS-szál törésével is járhat, működésbe hozza a sejt saját hibajavító enzimrendszerét. A javítási folyamat az ON szekvenciájának megfelelő nukleotidot építi be a DNS-szálba, és így egy új, három nukleotidból álló triplet jön létre, ami már más, a tervezett aminosav beépülését irányítja a fehérjeszintézis alatt. Egyetlen aminosav cseréje lényegesen befolyásolhatja a fehérje sajátosságait, és ezen keresztül a kívánt irányba változhatnak meg egy növény vagy állat sejtjeinek, szerveinek sajátosságai. Az ONIM technológia optimalizálásához gyakran használják a zöld fluoreszcens fehérje génjének módosítását.

Az ONIM technológia használhatóságát alapvetően befolyásolja az, hogy milyen hatékony az ON-molekulák bejuttatatása a sejtekbe. Tekintettel arra, hogy az ON-molekulák rövid DNS-szakaszok, a felvételi módszerek sok szempontból követik a DNS plazmidokkal végzett transzformáció során használt protokollokat, mint a sejtekbe történő DNS-belövés vagy a protoplasztok kezelése. Mivel az ON kezelt szövettenyészetben a mutáns sejtek felszaporítása szelektív körülményeket igényel nem véletlen, hogy az ONIM eredetű gazdasági növények gyomirtó szerekkel szembeni tűrőképességgel rendelkeznek, mint például a chlorsulfuron-tűrő dohány. Kanadában a BASF és Cibus cégek által RTDS (Rapid Trait Development System) technológiával előállított Clearfield nevű imidazolinon-tűrő repce 2013-ban nyert elismerést. A szintetikus ON molekulák szerepet kapnak, mint templátok a nukleázokat használó genomszerkesztési technológiákkal végzett irányított nukleotidcserék kialakítása során is.

CRISPR/Cas9 rendszer – Kedvelt genomszerkesztési technológia

Mint az ábra B részében láthatjuk, a CRISPR/Cas9 technológia esetében RNS molekula vezeti a Cas9-nukleázt a cél szekvenciához. A módszer alkalmazásakor szükség van mind a vezérlő RNS, mind a nukleáz fehérje szintetizáltatására a sejtekben. Ez megvalósítható transzgenikus vektorok használatával. Az ilyen kezdeti kísérleteket felválthatja a vezér RNS- és nukleázkomplexek kialakítása in vitro, így idegen gén bevitelére nincs szükség. Napjainkban tanúi lehetünk a CRISPR/Cas9 technológiával, valamint más genomszerkesztési módszerrel kialakított növények és gazdasági állatok megjelenésének, amelyek agronómiai, vagy élelmezési szempontból előnyős, új tulajdonságokkal rendelkeznek. Számos betegség-ellenálló növény (rizs, búza) született ilyen úton. Az ábra C része a késleltetett barnulású csiperkegombát mutatja, amely forgalmazható az Egyesült Államokban. Az ábra D része pedig nagy izomzatú bikát ábrázol, aminek természetes mutáns analógját már ismerik az állattenyésztők (Belgian blue szarvasmarha).


Image Text

Ábra magyarázat: A. Az oligonukleotid-irányított mutáció (ONIM) során egyetlen nukleotid kicserélése történik, miután a szintetikus DNS molekula (25-150 nukleotid) felismeri a célszekvenciát, ahhoz kapcsolódik és aktiválja a sejt hibajavító mechanizmusait, miközben a kívánt nukleotid beépül és ezzel új aminosav kódja jön létre; B. A CRISPR/Cas9 szerkesztés során a vezető RNS molekula ismeri fel a célszekvenciát, ehhez a DNS régióhoz irányítja a Cas9-nukleázt, amely a DNS mindkét szálát hasítja. Ezt érzékelik a sejt hibajavító rendszerei, és a javítás során következhet be a kívánt nukleotidcsere vagy nukleotidok beépülése; C. Késleltetett barnulású csiperke; D. Miosztatin gén szerkesztett, mutáns változatát hordozó bika (jobboldali kép).


Szempontok a GMO/nem-GMO kérdés mérlegeléséhez

A genomszerkesztés termékei alapvetően mutánsok, és az EU direktívák nem tekintik a mutánsokat GMO-nak. Lényeges, hogy a géntechnológiai úton módosított (GM) szervezetek transzgenikus formái (pl. Bt-növények) olyan genetikai beavatkozások termékei, amelyek a természetben nem következhetnek be. Ugyanakkor ez a kritérium nem áll fenn a genomszerkesztés termékei esetében, mert több példa is igazolja, hogy ezek a műveletek már ismert spontán vagy indukált mutációk kialakulásához vezethetnek. A genomszerkesztés termékeinek kimutathatósága nagy nehézséget jelent, mert szinte lehetetlen megkülönböztetni a mesterséges vagy a természetes okokból származó nukleotid változásokat. Mivel még nincs Európai Uniós döntés, igen fontos lenne, hogy a törvényhozók a tudományos tényekre támaszkodjanak, amikor döntenek ennek a fontos innovációs lehetőségnek az elfogadásáról. Ezért nagy jelentőségű az EASAC (European Academies Science Advisory Council, Európai Akadémiák Tudományos Tanácsadó Testülete) most megjelent állásfoglalása: ”Arra kérjük az EU-szabályozás megfogalmazóit, hogy mondják ki: a genomszerkesztésből származó termékek, amennyiben nem tartalmaznak nem rokon szervezetekből DNS-t, nem esnek a Genetikailag Módosított Szervezetekre (GMO-ra) vonatkozó szabályozás alá”. Ez a szakmai alapokon nyugvó javaslat segítheti a hazai felkészülést is az új technológiák térhódításából fakadó újabb versenyhelyzetre.1


Hivatkozás:

1.:  Dudits D. és Györgyey J. (2013): Zöld-GMO-k. Akadémiai Kiadó, pp. 145; Fehér A. (szerk.) (2014): A növények molekuláris biológiájától a zöld biotechnológiáig. Akadémiai Kiadó, pp. 281; Balázs E. és Dudits D. (szerk.) (2017): Precíziós nemesítés. Kulcs az agrár-innovációhoz. Agroinform Kiadó, pp. 194.

A cikk letöltése pdf formátumban.

Du­dits Dénes aka­dé­m­i­kus
A pre­cí­z­i­ós ne­me­sí­t­és mint bi­o­gaz­dál­ko­dá­si in­no­vá­c­ió


Dr. Györ­gyey Já­n­os
Az elő­r­e­lé­p­és le­he­tő­s­é­g­ei a gén­tech­no­ló­g­i­á­r­ól va­ló tár­s­a­dal­mi vi­tá­b­an


Image Text

Legfrissebb
  • Batáta, az anyatermészet génmódosítása

    A há­z­i­a­sí­tott éd­es­bur­go­nya és an­nak kö­z­e­li vad ro­ko­nai kö­z­ött fon­tos kü­l­önb­sé­g­et fe­de­zett fel egy ku­ta­tás. A ba­tá­ta ge­nom­já­b­an ugya­n­is ket­tő, Ag­ro­bak­té­r­i­um ál­tal be­vitt gént ta­lál­tak. Ezek a gé­n­ek pe­dig nem csak je­len van­nak a ge­nom­ban, ha­nem ki is fe­je­ződ­nek, ami ar­ra en­ged kö­v­et­kez­tet­ni, hogy olyan hasz­nos tu­laj­don­ság ki­a­la­kí­t­á­s­á­b­an van sze­re­pük, ami a há­z­i­a­sí­t­ás so­rán sze­lek­ci­ós előnyt je­len­tett a ba­tá­t­á­n­ak.

  • Mérgező élelmiszer a polcokon

    A GM nö­v­é­nyek­kel el­len­tét­ben a nö­v­ény­vé­d­ő­s­z­er­rel szen­nye­zett ter­mé­nyek­ről ke­vés hír szól. Ér­d­e­mes át­bön­g­ész­ni a táb­lá­z­a­tot. Köz­ben fel­me­rül a kér­d­és, hogy vegy­s­zer­men­tes GM nö­v­ény­től vagy a mér­ge­ző re­tek­től kell-e job­ban fél­ni.

  • Mit mondanak azok a kutatások, amiket nem a multik pénzelnek?

    Az el­múlt 60 év so­rán 698 ku­ta­tás fog­lal­ko­zott GM-nö­v­é­nyek­kel. A köz­le­mé­nyek több, mint fe­le tel­je­sen füg­g­et­len ku­ta­tók­tól szár­ma­zik, va­gy­is nem "lob­bi­zik" az egyik vagy a má­s­ik ol­dal mel­lett - nem ér­d­e­k­elt a kí­sér­l­e­tek ki­me­ne­te­lé­b­en. Ezek a füg­g­et­len ku­ta­tók pe­dig rend­re biz­ton­sá­g­os­nak ta­lál­ták a gén­tech­no­ló­g­i­á­v­al ne­me­sí­tett nö­v­é­nye­ket.

Korábbi hírleveleink:
Hírlevél feliratkozás

Iratkozzon fel kéthavonta megjelenő hírlevelünkre email címével!

Keresés