Freiburg, Germany
March 8, 2018
All living cells have invented mechanisms to protect their DNA against breaks during duplication and against damage by UV-light or chemicals. A team of biologists led by Prof. Dr. Ralf Reski from the Faculty of Biology of the University of Freiburg, Germany has now found that members of the RecQ family function in development, DNA repair and gene targeting in the moss Physcomitrella patens. Their results were published in the journal Plant Cell and may hold the key to a precise engineering of plant genomes including crop plants. The Julius-Kuehn-Institute, the German Federal Research Centre for Cultivated Plants in Quedlinburg and the INRA Centre de Versailles-Grignon, France contributed to the study.
RecQ proteins can be found in bacteria, fungi, animals and plants. Their function is best investigated in humans, because mutations in these genes lead to disease syndromes like Bloom, Werner or Rothmund-Thomson or to cancer. Their function in plants was less well understood. The team now found that the two model species predominantly analyzed for DNA recombination, the flowering plant Arabidopsis thaliana and the moss Physcomitrella patens, differ specifically in their RecQ4 and RecQ6 genes. Engineering different transgenic plants, the scientists found that RecQ4 is important for normal moss development and for DNA repair, whereas RecQ6, which does not exist in Arabidopsis, strongly enhances gene targeting.
Gene targeting in moss was first published by Reski’s group in 1998 and since then was used to answer many fundamental questions in biology. Moreover, this method was used extensively in biotechnology to create and to exploit knock-out mosses.
“Ever since we published the first knock-out mosses 20 years ago, I was curious to understand why Physcomitrella is orders of magnitude more efficient in gene targeting than any other plant”, explains Reski. Several groups world-wide tried to answer this conundrum, albeit in vain. Teaming up with the experts in Quedlinburg and in Versailles has finally brought success. “We are now planning to express the moss RecQ6 gene in flowering plants to see, if we can significantly enhance their gene targeting also. Thus, we could modify crop plants with outstanding precision in the future”, says Reski.
The biologists at the University of Freiburg are specialized in moss research and have made significant contributions to the development of mosses as global model organisms in biology and biotechnology. Ralf Reski is a biologist and professor of plant biotechnology at the University of Freiburg, Germany. He is also a member of the cluster of excellence BIOSS Center for Biological Signalling Studies and was a senior fellow at the Freiburg Institute for Advanced Studies (FRIAS) and its French counterpart the University of Strasbourg Institute for Advanced Study (USIAS).
Chair of Plant Biotechnology at the University of Freiburg
www.plant-biotech.net
Original publication:
Gertrud Wiedemann, Nico van Gessel, Fabian Köchl, Lisa Hunn, Katrin Schulze, Lina Maloukh, Fabien Nogué, Eva L. Decker, Frank Hartung, Ralf Reski (2018): RecQ helicases function in development, DNA-repair and gene targeting in Physcomitrella patens. Plant Cell, DOI: 10.1105/tpc.17.006372.
Gene ins Visier nehmen - Forscher finden Proteine, die für pflanzliche Entwicklung sowie die Reparatur und zielgerichtete Veränderung von DNA wichtig sind
Alle lebenden Zellen haben Mechanismen entwickelt, um ihre DNA gegen Beschädigungen zu schützen – ob verursacht bei der Zellteilung, durch ultraviolettes Licht oder Chemikalien. Biologinnen und Biologen um Prof. Dr. Ralf Reski von der Universität Freiburg haben nun herausgefunden, dass Proteine aus der RecQ-Familie im Moos Physcomitrella patens wichtige Funktionen für die Moosentwicklung, sowie die Reparatur und zielgerichtete Veränderung der DNA erfüllen. Die Ergebnisse, die das Team im Fachjournal „Plant Cell“ veröffentlicht hat, könnten den Schlüssel für eine präzisere Genom-Editierung auch bei Nutzpflanzen liefern. Das Quedlinburger Julius-Kühn-Institut JKI, Bundesforschungsinstitut für Kulturpflanzen und das Zentrum des Nationalen Instituts für Agrarforschung INRA in Versailles-Grignon/Frankreich haben zu der Studie beigetragen.
Proteine aus der RecQ-Familie kommen in Bakterien, Pilzen, Tieren und Pflanzen vor. Am besten ist ihre Funktion im Menschen erforscht, da Mutationen in den Genen, die die Baupläne für diese Proteine liefern, zu Syndromen wie Bloom, Werner oder Rothmund-Thomson sowie zu Krebserkrankungen führen. Dagegen ist ihre Rolle in Pflanzen bislang noch weitgehend unklar. Das Forschungsteam hat nun entdeckt, dass sich zwei wichtige Modellorganismen für die Genforschung – die Blütenpflanze Arabidopsis thaliana und das Moos Physcomitrella patens – in ihren RecQ4- und RecQ6-Genen deutlich voneinander unterscheiden. Indem die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verschiedene gentechnisch veränderte Pflanzen erzeugten, fanden sie heraus, dass RecQ4 für die reguläre Entwicklung der Moospflanze und die DNA-Reparatur wichtig ist, wohingegen RecQ6, das in Arabidopsis überhaupt nicht vorkommt, vor allem die gezielte Veränderung von Genen befördert.
1998 publizierte Reskis Forschungsgruppe als erste über Gen-Targeting bei Pflanzen, dem zielgerichteten Verändern von Genen. Seitdem dient die Methode dazu, grundlegende Fragen der Biologie zu beantworten und so genannte Knockout-Moose mit spezifisch ausgeschalteten Genen für biotechnologische Anwendungen herzustellen. „Seit wir vor 20 Jahren unsere Arbeit über die ersten Knockout-Moose veröffentlicht haben, habe ich mich dafür interessiert, warum Physcomitrella um ein Vielfaches effizienter im Editieren von Genen ist als jede andere Pflanze“, erklärt Reski. Weltweit haben mehrere Forschungsgruppen versucht, eine Antwort auf diese Frage zu finden – bislang vergeblich. Die Kooperation mit den Expertinnen und Experten aus Quedlinburg und Versailles hat schließlich zum Erfolg geführt. „Wir wollen nun das RecQ6-Gen aus dem Moos in Blütenpflanzen übertragen und untersuchen, ob es dort die Veränderung von Genen ebenfalls befördert. Damit könnte es künftig möglich sein, Nutzpflanzen mit herausragender Präzision zu modifizieren“, sagt Reski.
Die Freiburger Biologinnen und Biologen sind auf die Moosforschung spezialisiert und haben dazu beigetragen, Moose zu weltweit genutzten Modellorganismen für Biologie und Biotechnologie zu entwickeln. Ralf Reski ist Inhaber der Professur für Pflanzenbiotechnologie an der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Der Biologe ist Mitglied des Exzellenzclusters BIOSS Centre for Biological Signalling Studies und war Senior Fellow am Freiburg Institute for Advanced Studies (FRIAS) sowie am französischen Pendant USIAS, dem Institute for Advanced Study der Université de Strasbourg.
Professur für Pflanzenbiotechnologie:
www.plant-biotech.net
Originalpublikation:
Gertrud Wiedemann, Nico van Gessel, Fabian Köchl, Lisa Hunn, Katrin Schulze, Lina Maloukh, Fabien Nogué, Eva L. Decker, Frank Hartung, Ralf Reski (2018): RecQ helicases function in development, DNA-repair and gene targeting in Physcomitrella patens. In: Plant Cell. DOI: 10.1105/tpc.17.006372.
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