Mikroinjektion

Gentechnisch veränderte Tiere: Von Mikroinjektion bis Genome Editing

Bereits im Jahre 1985 haben Forscher die ersten gentechnisch veränderten Schafe und Schweine geschaffen. Seitdem sind die verschiedenen Transformationstechniken weiterentwickelt worden. Die Erzeugung transgener Tiere mit klassischen gentechnischen Methoden ist jedoch immer noch mit vielen Schwierigkeiten verbunden und spielt inzwischen kaum noch eine Rolle. Mit neuen, präziseren Verfahren könnte sich das ändern.

Klassische Gentechnik: Viel Zufall, wenig Erfolg

Zur Herstellung transgener Tiere werden in der klassischen Gentechnik verschiedene Verfahren angewendet. Die bedeutendste Methode ist die Mikroinjektion. Dabei entnehmen die Forscher einem Tier frisch befruchtete Eizellen, so genannte Zygoten. Bevor die Kerne des Spermiums und der Eizelle miteinander verschmelzen, spritzt man die fremde DNA mit einer sehr feinen Glaskapillaren in einen der Zellkerne. Bei der nachfolgenden Verschmelzung der Kerne kann auch das Fremdgen in das Genom eingebaut werden. Der genaue Ort ist allerdings dem Zufall überlassen. Die transformierten Eizellen entwickeln sich in einer Zellkultur weiter und werden schließlich als Embryonen in Leihmuttertiere eingeführt. Die Erfolgsrate dieser Methode ist sehr gering: Nur ein bis fünf Prozent der mikroinjizierten Zygoten entwickeln sich zu einem lebenden Tier, das auch das gewünschte Merkmal trägt.

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 bisher nur im medizinischen Bereich und bei Fischen

Genome Editing

Neue Verfahren, mit denen gezielt einzelne DNA-Bausteine im Erbgut von Tieren „umgeschrieben“ werden können.
- großes Potenzial; in einigen Jahren praktische Anwendung in der Tierzüchtung möglich.

Eine andere Methode ist der Einsatz retroviraler Vektoren. Dabei werden Viren als „Transportmittel“ genutzt, um fremde Gene in Zellen einzuschleusen. Teilbereiche des Virusgenoms werden 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.

Genome Editing: Mehr Präzision, neue Möglichkeiten

Unter Genome Editing fasst man verschiedene neue molekularbiologische Verfahren zusammen, mit denen gezielt Veränderungen im Genom vorgenommen werden können. So kommen zum Beispiel Nukleasen zum Einsatz, das sind Enzyme, die spezifische DNA-Sequenzen erkennen und dort einen Bruch des DNA-Doppelstrangs auslösen. Mit Hilfe der zelleigenen Reparaturmechanismen kann man an der jeweiligen Bruchstelle einen DNA-Abschnitt oder ein einzelnes Nukleotid einfügen, austauschen oder ausschneiden, ganz ähnlich wie bei einer „natürlichen“ Mutation. Der große Unterschied: Beim Genome Editing kann das Ziel - das Herbeiführen einer Mutation an einer ganz bestimmten Stelle - sehr präzise bestimmt werden.

Ein ähnlich arbeitendes Verfahren ist das CRISPR/Cas-System. Es besteht aus einem RNA-Fragment (CRISPR), welches gezielt DNA-Sequenzen erkennt, und einem Protein (Cas9), welches die DNA an dieser Stelle schneidet. Dabei ist das System schnell und einfach anwendbar, sehr präzise und kostengünstig.

Genome Editing-Verfahren werden zunehmend auch in der Tierzüchtung eingesetzt. In einer Reihe von Forschungsarbeiten wurde inzwischen gezeigt, dass man die Verfahren bei tierischen Organismen an befruchteten Eizellen einsetzen kann, um gezielte Änderungen an einzelnen DNA-Bausteinen durchzuführen oder bestimmte Gene auszuschalten.. Die Effizienz ist deutlich höher als bei der herkömmlichen Vorgehensweise. Das CRISPR/Cas-System bzw. die Nukleasen können einfach durch Mikroinjektion in die Empfängerzelle eingebracht werden. Vektoren wie bei klassischen gentechnischen Verfahren sind nicht erforderlich.

Voraussetzung ist, dass man das zu ändernde Ziel - die genaue Stelle in einem Gen - kennt. Um zu wissen, welche für die Züchtung interessanten Merkmale durch welche Gene beeinflusst werden, ist viel Genomforschung erforderlich. Allerdings kann man mit den neuen Verfahren nicht jedes Ziel erreichen, wenn man nur Gensequenzen verändern, aber keine neuen Gene einfügen möchte.

Bisher ist noch nicht geklärt, ob die mit Genome Editing-Verfahren veränderten Tiere unter die Gentechnik-Gesetze fallen oder ob sie wie durch Mutagenese erzeugten Organismen davon ausgenommen sind.