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Gentechnik bei Tieren: Neuer Schub durch Genome Editing

Lange Zeit hatten gentechnisch veränderte Nutztiere kaum praktische Bedeutung. Mit Ausnahme von Lachs gibt es weltweit bisher keine Lebensmittel- und andere Produkte aus solchen Tieren zu kaufen. Es wurde zwar viel geforscht und ausprobiert, doch verglichen mit Pflanzen war das Einführen neuer Gene in das Erbgut von Tieren nicht nur aufwändiger, sondern fehleranfälliger. Wenn es einmal klappte, waren die Tiere oft krank und nicht fortpflanzungsfähig. Doch das ändert sich gerade. Neue Verfahren, mit denen man einzelne DNA-Bausteine gezielt „umschreiben“ kann, haben schlagartig neue Perspektiven eröffnet. Nun scheint in der Tierzucht möglich, was die klassische Gentechnik schon aufgegeben hatte.

Schwein

Riesen-Schweine. In den 1990er-Jahre versuchte man, mit Hilfe der Gentechnik Schweine mit verändertem Größenwachstum zu entwickeln. Solche Projekte blieben eine Episode, denn die Schweine waren krank und das Verfahren zu aufwändig.

Mikro Schweine

Mikro-Schweine - Demonstrationsobjekte für das Genome Editing. Im Schweine-Erbgut wurden dazu einzelne DNA-Bausteine umgeschrieben.
Foto: Bejing Genome Institute

Schweine, PRRS

Schutz gegen das PRRS-Virus. Bei diesen Schweinen ist ein Protein blockiert, über das die Viren eindringen. PRRS führt zu hohen Verlusten in Schweinebeständen und ist weltweit die bedeutendste Schweinekrankheit.
Foto: University of Missouri

Großes Foto oben: iStockphoto

Bereits 1980 gelang es zum ersten Mal, einen neuen DNA-Abschnitt in das Genom eines Säugetiers, der Maus, zu integrieren. Zwei Jahre später gaben Forscher bekannt, dass ihre transgenen Nager dank zusätzlicher Gene für Wachstumshormone schneller wuchsen und größer wurden.

Trotz dieser frühen Erfolgsmeldungen gibt es bis heute keine gentechnisch veränderten Nutztiere, die Milch, Fleisch oder Eier für die menschliche Ernährung liefern. Das liegt vor allem daran, dass die seit damals üblichen Verfahren, um transgene Individuen zu erzeugen, bei großen Säugetieren zu wenig effizient sind. Die Eizellen müssen aufwändig gewonnen und entkernt werden, damit das Erbgut von gentechnisch veränderten Körperzellen eingesetzt werden kann. Anschließend werden sie wieder in Muttertiere eingepflanzt, aber längst nicht alle wachsen zu einem gesunden Tier heran. Die Gesamt-Erfolgsquote ist gering und liegt zwischen zwei und fünf Prozent, lediglich bei Rindern sind es 15 bis 20 Prozent.

Mit wenigen Ausnahmen hat sich die Gentechnik in der praktischen Tierzucht nicht etablieren können. Doch das könnte sich schon bald ändern. In den letzten Jahren haben Molekularbiologen in lebenden Zellen natürliche Mechanismen entdeckt und dann zu neuen Verfahren weiterentwickelt, mit denen gezielt einzelne DNA-Bausteine im Erbgut umgeschrieben werden können. Sie sind nicht nur viel genauer und kontrollierter als die klassische Gentechnik, sondern sie erfordern auch deutlich weniger Zeit und Kosten. Diese Verfahren – oft als Genome Editing bezeichnet – funktionieren im Prinzip in allen Organismen - bei Tieren genau wie bei Pflanzen, Mikroorganismen oder menschlichen Zellen.

Genome Editing – und vor allem das CRISPR/Cas-System – hat auch der Tierzüchtung einen neuen Schub versetzt. In zahlreichen Projekten überall auf der Welt wird damit an Nutztieren geforscht. Oft sind es Pilotprojekte, um auszuloten, ob die Verfahren tatsächlich funktionieren und was sie leisten könnten. Dabei zeigt sich, dass mit nur wenigen Modifikationen einzelner DNA-Bausteine Eigenschaften von Tiere verändert werden könnten.

  • So haben chinesische Genetiker durch punktuelles DNA-Editieren Mini-Schweine erzeugt, die nur ein Sechstel des Gewichts normaler Schweine aufweisen. Bei Hunden wurde das Muskelwachstum extrem gesteigert.
  • Wissenschaftler arbeiten an Hausschweinen, die gegen die Afrikanische Schweinepest resistent sind. Nach dem Vorbild eines entsprechenden Resistenz-Gens aus dem Warzenschwein, dem die Krankheit nichts anhaben kann, wurde ein ähnliches Gen im Hausschwein umgeschrieben. Auch gegen die Vogelgrippe und andere Infektionskrankheiten zeichnen sich neue Möglichkeiten für resistente Tieren ab.
  • In den USA ist es gelungen, in Ferkeln eine Resistenz gegen das PRRS-Virus zu erzeugen, Auslöser für die weltweit bedeutendste Schweinekrankheit. Die Forscher haben dazu ein bestimmtes Protein, das als „Einstiegspforte“ für das Virus dient, mit dem CRISPR-Cas-System ausgeschaltet.
  • Mit Genome Editing könnte es auch gelingen, bestimmte Allergene aus der Kuhmilch oder aus Hühnereiern zu entfernen.
  • Auch an Rindern, die keine Hörner haben, oder Schafen, die mehr Wolle tragen, wird im Rahmen von Forschungsprojekten gearbeitet.

Reproduktions- oder Fortpflanzungstechnologie

Künstliche Besamung, künstliche Befruchtung, Embryonentransfer
- weit verbreitet

Genomforschung

Entschlüsselung der Funktion einzelner Gene, genetische Grundlagen von für die Züchtung wichtiger Merkmale - Anwendung: Gen-Tests für diese Merkmale in der Züchtung

Gentechnik oder Rekombinationstechnik

Verfahren, um neue (fremde) Gene in das Genom von Tieren einzuführen
- praktische Anwendung bei Nutztieren nur im medizinischen Bereich und bei Fischen

Genome Editing

-neue Verfahren, mit denen gezielt einzelne DNA-Bausteine im Erbgut von Tieren „umgeschrieben“ werden können. Wenn dabei keine neuen Gene oder größere DNA-Sequenzen eingefügt werden, ist das Verfahren mit Mutationen vergleichbar wie sie auch unter natürlichen Bedingungen möglich sind. Verglichen mit der klassischen Gentechnik sind Genome Editing-Verfahren bei Tieren nicht nur weniger zeit- und kostenaufwändig, sondern auch weitaus zuverlässiger.

Noch gibt es solche mit den neuen Verfahren geänderten Tiere außerhalb von Forschungsprojekten nicht. Und es wird auch noch einige Jahre dauern, bis sich das ändern könnte. Dennoch hat Genome Editing auch der Tierzüchtung neuen Schub versetzt. Einige Ziele könnten damit so schnell und effektiv erreicht werden, wie es vor einigen Jahren kaum vorstellbar schien.

Fische, Insekten, Schweine als Organspender

Bei Fischen funktionierten die klassischen gentechnischen Verfahren wesentlich erfolgreicher als bei Säugetieren, da die Befruchtung und Entwicklung außerhalb des Mutterleibes stattfindet und in jedem Gelege eine große Anzahl von Eiern zur Verfügung steht. Schon in den 1990er Jahren wurden den USA schnell wachsende gentechnisch veränderte Lachse entwickelt. Zwanzig Jahre nach dem ersten Zulassungsantrag genehmigten die US-Behörden die Vermarktung von Produkten aus diesem gv-Lachs. Zierfische mit Fluoreszenzgenen sind in den USA und Taiwan schon länger erhältlich.

Gentechnisch veränderte Insekten wurden erstmals im April 2014 in Brasilien zugelassen. Dabei handelt es sich um Tigermücken, die das Dengue-Fieber übertragen. Den gv-Mücken wurde ein Gen übertragen, das dafür sorgt, dass ihr Nachwuchs bereits im Larvenstadium stirbt. Durch die Paarung mit diesen Insekten sollen freilebende Populationen ausgerottet werden. Andere Insektenarten, die in ähnlicher Weise gentechnisch verändert wurden, befinden sich noch in der Entwicklung. Erste Freilandversuche haben bereits stattgefunden. Neben Krankheitsüberträger wie Malaria oder das Zika-Virus sollen so auch Pflanzenschädlinge bekämpft werden.

Auch Tiere so zu verändern, dass sie medizinische Wirkstoffe produzieren, ist schon länger möglich. In Europa sind zwei Wirkstoffe – ein Blutgerinnungsfaktor und ein Plasmaprotein – auf dem Markt, die in der Milch transgener Ziegen bzw. Kaninchen gebildet werden. Noch im Forschungsstadium befindet sich dagegen die Transplantation innerer Organe von Schweinen, bei denen bestimmte Proteine moduliert werden, damit die Organe nicht vom Immunsystems des Empfängers abgestoßen werden (Xenotransplantation). Aber auch hier könnte Genome Editing die weitere Entwicklung beschleunigen.