Von Mikroinjektion bis Kerntransfer: So entsteht ein transgenes Tier

Bereits im Jahre 1985 haben Forscher die ersten transgenen Schafe und Schweine geschaffen. Seitdem sind die verschiedenen Transformationstechniken weiterentwickelt worden, und die Erfolgsquote hat sich verbessert. Dennoch ist die Erzeugung eines transgenen Tieres weiterhin mit vielen Schwierigkeiten verbunden.

Viele Jahre war die Mikroinjektion die Methode der Wahl. Doch die Technik ist insbesondere bei größeren Tieren wie Rindern, Schafen und Schweinen wenig effizient. Daher suchten die Forscher nach alternativen Techniken. Heutzutage werden transgene Nutztiere bevorzugt mithilfe des somatischen Kerntransfers erzeugt. Im Folgenden sind die wichtigsten Transformationstechniken im Überblick dargestellt.

Mikroinjektion: Mit einer Mikronadel wird ein artfremdes Gen in einen der beiden Vorkerne der Eizelle eingespritzt. Foto: Roslin Institut Edinburgh Diese Maus ist ein genetisches Mosaik, auch Chimär genannt. Foto: Advanced Cell Technology Effizienz des somatischen Kerntransfers Spezies % lebensfähige Nach- kommen Rind 15-20 Schaf 8 Ziege 3 Schwein 2-5 Maus,  Kanin- chen <2 Quelle: Schätzungen von Prof. Dr. Heiner Niemann, September 2009

Mikroinjektion Lange Zeit war die Mikroinjektion die bedeutendste Methode zur Herstellung von transgenen Tieren. Im Prinzip ist die Technik recht einfach: Zunächst entnehmen die Forscher einem Tier frisch befruchtete Eizellen, so genannte Zygoten. Sie passen den Zeitpunkt ab, zu dem die Kerne des Spermiums und der Eizelle noch nicht miteinander verschmolzen sind, sondern sich als Vorkerne getrennt in der Zygote befinden. Dann spritzt man die fremde DNA mit einer feinen Mikronadel in einen der Vorkerne. In der nachfolgenden Verschmelzung wird mütterliches und väterliches Erbgut neu kombiniert. Dann kann auch das Fremdgen in das Genom eingebaut werden. Der genaue Ort ist allerdings dem Zufall überlassen. Die transformierten befruchteten Eizellen entwickeln sich in einer Zellkultur weiter und werden schließlich als Embryonen in Leihmuttertiere eingeführt. Die Erfolgsrate der Methode ist sehr gering: Nur ein bis fünf Prozent der mikroinjizierten Zygoten entwickeln sich zu einem lebenden Tier, das auch das gewünschte Merkmal trägt. Die Tiere sind häufig krank und sterben verfrüht. Ein weiteres Problem ist, dass weniger als zehn Prozent das Transgen in die nächste Generation vererben. Eine Ursache dafür kann sein, dass nicht alle Zellen die neue Erbinformation tragen, da der Einbau des Gens zu spät erfolgt ist. Diese Tiere werden genetische Mosaike, auch Chimäre genannt. Doch auch wenn das Gen stabil in das Genom der Keimzellen eingebaut worden ist, ist die Nachzüchtung nicht garantiert, da die mütterlichen und väterlichen Gene zufällig aufgeteilt werden. Aus diesem Grund wird häufig das Klonen als zusätzliche Methode bei der Herstellung von transgenen Tieren einsetzt.

Somatischer Kerntransfer

Der somatische Kerntransfer ist heute bei Nutztieren die bevorzugte Technik zur Erzeugung eines transgenen Tieres. Zunächst werden neue Gene in die DNA einer Körperzelle eingeführt. Dann wird der Kern in eine unbefruchtete Eizelle übertragen, deren Zellkern man zuvor entfernt hat. So erhält man einen so genannten somatischen Klon, also die identische Kopie einer Körperzelle. Diese Technik wurde auch bei der Produktion des Arzneimittels Antithrombin III, kurz ATryn, in gentechnisch veränderten Ziegen angewandt.

Beim Kerntransfer wird der Einbau des fremden Erbmaterials nicht dem Zufall überlassen, sondern gezielt vorgenommen. Ein weiterer Vorteil im Vergleich zur Mikroinjektion sind die geringeren Kosten und der geringere "Verbrauch" von Versuchstieren. Im vergangenen Jahrzehnt sind die Techniken effizienter geworden, obwohl die Erfolgsquote auch heute noch niedrig ist. Bei den meisten Spezies liegt sie zwischen zwei bis fünf Prozent. Lediglich bei Rindern sind 15 bis 20 Prozent der Nachkommen lebensfähig (siehe Tabelle).

Einsatz retroviraler Vektoren

Einige Forscher nutzen Viren als "Transportmittel", um fremde Gene in Zellen einzuschleusen. Dabei werden Teilbereiche des Virusgenoms durch die gewünschte DNA ersetzt; die Bildung von Hüllen und infektiösen Viren ist ausgeschaltet. Da das Virus den Stoffwechsel der Wirtszelle zur Vermehrung nutzt, findet es den Weg zum Zellkern "von selbst". Der Einsatz retroviraler Vektoren ist mit einer Erfolgsquote von 75 Prozent sehr effizient, aber nur für kleinere Tiergruppen wie etwa Vögel geeignet.

Embryonale Stammzelltechnik

Forscher entnehmen einem Tier Embryonen, die sich bereits einige Tage entwickelt haben und isolieren embryonale Stammzellen. Im Labor bringt man das Fremdgen ein und injiziert die transgene Zelle in einen neuen Embryo. Dieser entwickelt sich in einer Leihmutter weiter. Bei Nutztieren wird diese Technik nicht angewandt, da bis zum heutigen Zeitpunkt keine "echten" embryonalen Stammzellen aus größeren Säugern isoliert werden konnten.

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