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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

Große und kleine Schweine. In den 1990er-Jahre versuchte man, mit Hilfe der Gentechnik Schweine mit verändertem Größenwachstum zu entwickeln. Projekte wie dieses blieben eine Episode, denn die Schweine waren krank und das Verfahren zu aufwändig. - Neu sind die Mikro-Schweine, die in China erzeugt wurde. Mit Hilfe der neuen Genome Editing-Verfahren wurden in einem für das Größenwachstum wichtigen Gen einzelne DNA-Bausteine umgeschrieben. Anders als geplant sollen die Mikro-Schweine nicht als niedliche Haustiere auf den Markt kommen.
Großes Foto oben: Bejing Genome Institute

Schweine, PRRS

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

Großes Foto oben: BGI - Bejing Genetic Institute

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.

Die Erwartungen waren groß. Doch 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 sehr aufwändig und wenig effizient sind.

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 einige für die Züchtung wichtige Eigenschaften von Tieren verändert werden könnten.

Mit der klassischen Gentechnik werden neue, oft „artfremde“ Gene eingeführt, ohne genaue Kontrolle, an welchen Stellen sie im Erbgut der jeweiligen Tiere integriert werden und welche Folgen das haben könnte. Anders beim Genome Editing: Damit lassen sich sehr präzise einzelne DNA-Bausteine in vorhandenen Genen abschalten oder gegen neue austauschen. Wenn es funktioniert, sind in den Nachkommen editierter Tiere lediglich diese Bausteine verändert, ganz ähnlich wie bei einer natürlichen Mutation.

Im Großen und Ganzen haben sich die Züchtungsziele nicht verändert. Auch mit den neuen Genome Editing-Verfahren geht es etwa darum, Nutztiere resistenter gegen Krankheiten zu machen und unerwünschte Folgen der Tierhaltung abzumildern.

  • So arbeiten Wissenschaftler 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.
  • 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.
  • Auch gegen die Vogelgrippe und andere Infektionskrankheiten zeichnen sich neue Möglichkeiten für resistente Tieren ab.
  • Mit Genome Editing haben Forscher in den USA Rinder entwickelt, die keine Hörner ausbilden. Heute ist es üblich, Kühe zu enthornen, um die Verletzungsgefahr unter den Tieren und für den Landwirt zu verringern. Durch die Zucht hornloser Rinder würde das Enthornen der Kälber überflüssig, welches für die Tiere mit Stress und Schmerzen verbunden ist.

Wie in der klassischen Züchtung geht es auch mit den neuen Verfahren darum, das Wachstum von Nutztieren zu steigern und bestimmte Produkteigenschaften zu verbessern.

  • Wissenschaftler aus Südkorea haben Schweine mit „doppelter“ Muskelmasse gezüchtet. Dabei wurde mit Hilfe von Genome Editing-Verfahren ein Gen für ein Protein ausgeschaltet, das normalerweise das Muskelwachstum hemmt. Durch die künstliche Mutation bilden die Schweine überdurchschnittlich große Muskeln und liefern so größere Fleischmengen. Außerdem ist das Fleisch magerer, da durch die Veränderung im Genom auch der Fettansatz behindert wird.
  • Ähnlich konnte auch bei Schafen das Muskelwachstum gesteigert werden. Ziel ist es, bei Wollschafen das Muskelwachstum zu erhöhen, um sie auch als Fleischschafe nutzen zu können.
  • Mit Genome Editing könnte es auch gelingen, bestimmte Allergene aus der Kuhmilch oder aus Hühnereiern zu entfernen.

Bisher gibt es solche mit neuen Verfahren geänderten Tiere allenfalls in den Versuchsstationen von Forschungseinrichtungen. Und es wird auch noch einige Jahre dauern, bis sie - wenn überhaupt - auf den Markt kommen. Derzeit ist nicht klar, wie mit Genome Editing-Verfahren gezüchtete Tiere rechtlich einzuordnen sind. Gelten sie als gentechnisch veränderte Organismen (GVO) mit allen Zulassungs- und Kennzeichnungspflichten, ist es mehr als fraglich, ob die Verbraucher sie überhaupt akzeptieren.

Doch es gibt noch eine weitere Hürde: Man muss die Ziele kennen - also genau jene einzelnen DNA-Bausteine in einem riesigen Genom, deren Editierung zu der gewünschten Veränderung eines Merkmals führt. Das ist alles andere als trivial. Um die oft komplexen molekularen und genetischen Zusammenhänge bestimmter Eigenschaften zu kennen, ist viel systematische Genomforschung erforderlich. In den letzten Jahren hat es zwar große Fortschritte gegeben, dennoch sind gerade bei Tieren noch viel Fragen zur Funktion der Gene offen.