Von Mikroinjektion bis Kerntransfer: So entsteht ein transgenes Tier

Die Erzeugung eines transgenen Tiers bereitet häufig Schwierigkeiten, da die Methoden nicht ausgereift sind. Hier die verschiedenen Transformationstechniken im Überblick.

Bei der Maus hat man mit gentechnischen Anwendungen die meisten Erfahrungen. Die Erkenntnisse lassen sich jedoch nur bedingt auf andere Tiere übertragen. Ob Rind, Schaf oder Huhn – jede Art hat ihr eigenes Fortpflanzungssystem. Daher sind artspezifische Techniken unabdingbar. Im Allgemeinen lassen sich jedoch fünf verschiedene Strategien zur Produktion von gentechnisch veränderten Tieren unterscheiden:

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

1. Mikroinjektion Die Mikroinjektion ist eine verbreitete Methode zur Herstellung von transgenen Tieren und wurde bereits bei Mäusen, Kaninchen, Schweinen, Ziegen und Rindern angewandt. 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 höchstens ein 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 überlegt, ob man das Klonen als zusätzliche Methode bei der Herstellung von transgenen Tieren einsetzt.

2. Kerntransfer

Nutzt man den Kerntransfer für die Erzeugung eines transgenen Tieres, werden zunächst 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 Schaffung des Schafs Dolly angewandt. Hier war die Körperzelle aber nicht gentechnisch verändert.
Da die somatischen Kerne zusätzliche Informationen in sich tragen, führt diese Methode zum Teil zu drastischen Fehlentwicklungen. Die Effizienz liegt immerhin bei zwei bis drei Prozent und ist damit deutlich höher als bei der Mikroinjektion.

3. Transformation von Spermien

Die Übertragung von fremdem genetischem Material in das Genom von Spermien ist zumindest bei Mäusen gelungen. Die Technik ist jedoch mit Schwierigkeiten verbunden. Das Spermatozoen-Genom nimmt die Fremd-DNA häufig nicht an. Außerdem stirbt ein Großteil der Spermien im Labor rasch ab.

4. 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.

5. 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. Die Technik hat bei Rindern, Schweinen und Mäusen funktioniert. Da das Virus den Stoffwechsel der Wirtszelle zur Vermehrung nutzt, findet es den Weg zum Zellkern "von selbst". Aus diesem Grund ist die Transformationsrate bis zu 50 Mal höher als bei anderen Systemen.

Wissenschaftler der Münchner Universität haben mit dieser Methode in UV-Licht grün leuchtende Schweine geschaffen. Das Gen für das fluoreszierende Eiweiß stammt aus einer Tiefseequalle und dient dazu, Veränderungen des Genoms sichtbar zu machen. Auch wenn das Verfahren eine interessante Option ist, muss es technisch noch weiterentwickelt werden.

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