Quelltext der Seite Cre/loxP-System

Das '''Cre/''loxP''-System''' ist ein [[Rekombination (Genetik)|Rekombinations]]-System. Es ermöglicht das gezielte Entfernen von [[Desoxyribonukleinsäure|DNA]]-Sequenzen in lebenden Organismen. Mit dieser Technik können beispielsweise einzelne spezifische Zell- oder Gewebearten genetisch modifiziert werden, während andere Gewebe davon unberührt bleiben. Ursprünglich stammt dieses System aus dem [[Bakteriophage]]n P1 und findet heute v.&nbsp;a. in der [[Molekularbiologie|molekularbiologischen]] Forschung und zur Herstellung gentechnisch veränderter Pflanzen Anwendung. Ein analoges System ist das ''[[Flp/FRT-System|Flp-FRT]]''-System.

== Prinzip ==
[[Datei:CreLoxP.jpg|miniatur|Je nach Orientierung der ''loxP''-Sequenz katalysiert Cre die Exzision oder Inversion]]
Cre (von engl. ''cyclization recombination'' oder ''causes recombination'') bzw. Flp (benannt nach der Flippase-Aktivität, durch die Hefen Sequenzabschnitte invertieren) sind [[Enzyme]] der Klasse der [[Rekombinase]]n. Diese [[Protein]]e, die natürlicherweise in allen Organismen vorkommen, [[Katalyse|katalysieren]] die Spaltung und Neuverknüpfung von DNA zwischen spezifischen [[DNA-Sequenz|Basensequenzen]]. Diese Erkennungssequenz wird als ''loxP'' bzw. ''FRT'' bezeichnet. Das Cre/''loxP''-System wurde in den 1980er Jahren entwickelt und von [[E. I. du Pont de Nemours and Company|DuPont]] patentiert.

Soll aus einem DNA-Strang eine bestimmte DNA-Sequenz bzw. ein bestimmtes Gen entfernt werden, setzt man gezielt vor und hinter diesen DNA-Abschnitt eine ''loxP''-Stelle, was als ''floxen'' bezeichnet wird (''floxed'' = ''flanked by loxP''; dt. ‚von loxP-Stellen flankiert‘). Das Cre-Enzym erkennt und bindet die jeweiligen ''loxP''-Stellen. Dabei schneidet es die entsprechende DNA-Sequenz bzw. das Gen heraus, wenn die beiden ''loxP''-Sequenzen in gleicher Richtung orientiert sind ([[Exzision]]). Die beiden verbleibenden ''loxP''-Enden werden zusammengefügt, der entstehende kurze ringförmige DNA-Abschnitt wird in der [[Zelle (Biologie)|Zelle]] abgebaut. Sind die beiden ''loxP''-Sequenzen auf der DNA in entgegengesetzter Richtung orientiert, katalysiert das Enzym die [[Inversion (Genetik)|Inversion]] (d.&nbsp;h. das Vertauschen der beiden Enden) des gefloxten Abschnittes, der um 180° gedreht im DNA-Strang verbleibt.

=== Cre-Rekombinase ===
Die [[Cre-Rekombinase]] (von {{enS}} ''causes recombination'' oder ''cyclization recombinase'')<ref>[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/protein/AAV84941.1 Cre-Rekombinase] in der GenBank.</ref><ref>N. Sternberg, D. Hamilton: ''Bacteriophage P1 site-specific recombination. I. Recombination between loxP sites.'' In: ''Journal of molecular biology.'' Band 150, Nummer 4, August 1981, S.&nbsp;467–486, {{ISSN|0022-2836}}. PMID 6276557.</ref> besteht aus vier Untereinheiten mit je 343 [[Aminosäuren]] in zwei [[Proteindomäne]]n. Die [[C-Terminus|C-terminale]] Domäne der Cre-Rekombinase enthält das [[Aktives Zentrum|aktive Zentrum]] und ist strukturell ähnlich zur [[Integrase]]-Familie aus dem [[Bakteriophage Lambda|Bakteriophagen λ]].

=== loxP ===
Die ''loxP''-[[DNA-Sequenz]] (von engl. ''locus of X-over P1'') entstammt dem Bakteriophagen P1 und besteht aus 34 [[Basenpaar]]en, einschließlich einer asymmetrischen Sequenz von acht Basenpaaren (die beiden mittigen davon sind [[Konservierung|konserviert]]), die beidseitig von [[Palindrom|palindromischen]] dreizehn Basen flankiert sind.

{|align="center"
|align="center"|'''13bp'''
|align="center"|'''8bp'''
|align="center"|'''13bp'''
|-
|align="center"|ATAACTTCGTATA -
|align="center"|NNNTANNN
|align="center"|-TATACGAAGTTAT
|}

{| class="wikitable" border="1"
|-
|+ Verschiedene LoxP-Sites<ref>P. I. Missirlis, D. E. Smailus, R. A. Holt: ''A high-throughput screen identifying sequence and promiscuity characteristics of the loxP spacer region in Cre-mediated recombination.'' In: ''BMC genomics.'' Band 7, 2006, S.&nbsp;73, {{ISSN|1471-2164}}. {{DOI|10.1186/1471-2164-7-73}}. PMID 16595017. {{PMC|1479339}}.</ref>
! Name
! 13bp Erkennungsregion
! 8bp  Spacer-Region
! 13bp Erkennungsregion
|-
| Lox 511
| ATAACTTCGTATA
| ATGTATaC
| TATACGAAGTTAT
|-
| Lox 5171
| ATAACTTCGTATA
| ATGTgTaC
| TATACGAAGTTAT
|-
| Lox 2272
| ATAACTTCGTATA
| AaGTATcC
| TATACGAAGTTAT
|-
| M2
| ATAACTTCGTATA
| AgaaAcca
| TATACGAAGTTAT
|-
| M3
| ATAACTTCGTATA
| taaTACCA
| TATACGAAGTTAT
|-
| M7
| ATAACTTCGTATA
| AgaTAGAA
| TATACGAAGTTAT
|-
| M11
| ATAACTTCGTATA
| aGATAgaa
| TATACGAAGTTAT
|-
| Lox71
| taccgTTCGTATA
| NNNTANNN
| TATACGAAGTTAT
|-
| Lox66
| ATAACTTCGTATA
| NNNTANNN
| TATACGAAcggta
|}

== Anwendungen ==
=== Pflanzen ===
Das Cre/''loxP''-System wird beispielsweise dazu verwendet, gezielt Markergene aus transgenen Pflanzen zu eliminieren. So ist es möglich, transgene Organismen zu erzeugen, ohne dass anschließend eine Selektion auf Grundlage von Herbizid- oder Antibiotikaresistenzen notwendig wird. Hierzu muss zunächst Cre-Rekombinase vorübergehend (transient) in die Zelle übertragen werden. Diese Übertragung kann sowohl mit Hilfe eines [[Pflanzenvirus]] ([[PVX]], [[Tabakmosaikvirus|TMV]]) als auch durch ''[[Agrobacterium tumefaciens]]'' erfolgen. Die durch die Rekombinase Cre ausgelösten Rekombinationsereignisse können auf die nächste Generation über Regeneration oder Selbstbestäubung übertragen werden. Die Nachkommen aus der Selbstbestäubung sind dann, wenn alle Reaktionsschritte erfolgreich verlaufen sind, markerfrei, tragen aber das interessierende Gen.

=== Tiere ===
[[Datei:CreLoxP Modellversuch.png|400px|miniatur|Ein Modellversuch, der sich des Cre/LoxP-Systems bedient]]
Das System funktioniert auch in [[Säugetier]]zellen zuverlässig und ohne weitere [[Coenzym|Kofaktoren]]. Mittlerweile ist es zur Herstellung gewebsspezifischer [[Knockout-Maus|Knockout-Mäuse]] weit verbreitet. In welchem Gewebe und zu welchem Zeitpunkt in einem Lebewesen ein [[Gen]] angeschaltet wird, hängt hauptsächlich von dem zugehörigen [[Promotor (Genetik)|Promotor]] ab. Promotor und Cre werden zusammen als [[Transgener Organismus|Transgen]] in das Mausgenom eingebracht. Sollen z.&nbsp;B. Gene nur im Gehirn ausgeschaltet werden, sucht man sich ein Protein, das nur dort vorkommt und setzt den zugehörigen Promotor vor das Cre-Gen, wodurch Cre-Rekombinase nur im Gehirn gebildet wird.

Nun wird noch eine zweite Mauslinie benötigt, bei der das Gen, das ausgeschaltet werden soll, gefloxt ist. Werden die beiden Mäuse nun verpaart, erhält man unter anderem Nachkommen, die beide genetische Veränderungen in ihrem Erbgut tragen. Ein Protein, das in jeder Körperzelle vorkommt, wird so beispielsweise nur im Gehirn nicht mehr gebildet, da das Gen dort durch die Rekombinase unbrauchbar gemacht wird.

Ein Nachteil hierbei ist, dass die meisten Promotoren schon bald in der [[Embryogenese|Embryonalentwicklung]] aktiviert werden. Wird ein wichtiges Gen schon früh ausgeschaltet, sind die Tiere oft nicht lebensfähig und können nicht untersucht werden. Um dieses Problem zu umgehen, wurden Methoden erfunden, dass Cre zu einem beliebigen Zeitpunkt angeschaltet werden kann. Dies gelingt z.&nbsp;B. mit Liganden-aktivierbaren Cre-Rekombinasen. Cre wurde dabei mit der modifizierten Ligandenbindungsdomäne (LBD) von [[Estrogenrezeptor]]en fusioniert, an die nicht mehr körpereigenes [[Estrogen]] bindet, wohl aber synthetisches [[Tamoxifen]], ein [[Selektiver Estrogenrezeptormodulator|Antiestrogen]]. Die Estrogenrezeptoren befinden sich im [[Zytoplasma]] und werden erst nach Bindung des Liganden in den [[Zellkern]] überführt, wo sich die DNA befindet. Somit verbleibt auch das mit dem Estrogenrezeptor assoziierte Cre-Enzym im Zytoplasma, bis den Tieren Tamoxifen verabreicht wird. Sobald dieses an den modifizierten Rezeptor bindet, wird er zusammen mit Cre in den Zellkern gebracht, wo Cre dann die gefloxten Gene ausschneiden kann.

== Siehe auch ==
* [[Rekombinase]]

== Literatur ==
* D. Metzger, [[Pierre Chambon|P. Chambon]]: ''Site- and time-specific gene targeting in the mouse''. In: ''Methods'', 24(1), 2001, S.&nbsp;71–80, PMID 11327805.
* R. Feil, J. Wagner, D. Metzger, P. Chambon: ''Regulation of Cre recombinase activity by mutated estrogen receptor ligand-binding domains''. In: ''[[Biochem Biophys Res Commun]]'', 237(3), 1997, S.&nbsp;752–757, PMID 9299439.

== Weblinks ==
* [https://www.biospektrum.de/blatt/d_bs_pdf&_id=934579 Cre-loxP vermittelte konditionale Mutagenese des cGMP-Signalwegs in der Maus] (PDF)

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Molekularbiologie]]
[[Kategorie:Nukleinsäure-Methode]]
[[Kategorie:Genetik]]

[[it:Topo knockout#Knock-Out Condizionali]]
[[pl:Rekombinaza Cre]]