Mikroinjektion

Tierzucht: Warum Genome Editing besser als Gentechnik ist

Bereits im Jahre 1985 kamen erstmals gentechnisch veränderte Schafe und Schweine auf die Welt. Zwar wurden die Techniken zur Erzeugung transgener Tiere seitdem stetig weiterentwickelt, doch sie blieben aufwändig und fehleranfällig. In der Praxis durchgesetzt haben sie sich nicht. Mit den neuen Genome Editing-Verfahren (Gen-Schere) ist es möglich geworden, einzelne DNA-Bausteine gezielt umzuschreiben - viel präziser, zuverlässiger und damit auch „tierfreundlicher“ als mit der herkömmlichen Gentechnik.

CRISPR bei Tieren

Genome Editing: CRISPR bei Tieren

Unter Genome Editing fasst man verschiedene neue molekularbiologische Verfahren zusammen, mit denen gezielt Veränderungen im Genom vorgenommen werden können. Einzelne DNA-Bausteine können ausgeschaltet, ausgetauscht oder eingefügt werden, ganz ähnlich wie bei einer zufälligen „natürlichen“ Mutation. Der große Unterschied: Beim Genome Editing kann der genaue Ort, an dem die DNA „umgeschrieben“ werden soll, sehr präzise bestimmt werden.

Genome Editing funktioniert grundsätzlich bei allen Organismen - auch bei Tieren. Es ist daher wenig verwunderlich, dass diese Verfahren zunehmend auch in der Tierzüchtung eingesetzt werden. Allerdings: Um ein bestimmtes Merkmal - etwa eine Resistenz gegen Krankheitserreger oder ein besseres Muskelwachstum - verändern zu können, müssen die jeweils verantwortlichen Gene genau bekannt sein. Dafür ist viel Genomforschung erforderlich.

Was ist was?

Reproduktions- oder Fortpflanzungstechnologie

Künstliche Besamung, künstliche Befruchtung, Embryonentransfer; in der Tierzucht weit verbreitet.

Genomforschung

Entschlüsselung der Funktion einzelner Gene, Erforschung der genetische Grundlagen von Merkmalen, die in der Züchtung von Interesse sind. Anwendung: Gen-Tests für diese Merkmale; Identifikation von Zielen für Genome Editing.

Gentechnik oder Rekombinationstechnik

Verfahren, um neue (fremde) Gene in das Genom von Tieren einzuführen. Praktische Anwendung bei Tieren 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, derzeit zahlreiche Forschungsprojekte. Praktische Anwendung in der Tierzüchtung vor allem abhängig von Verbraucherakzeptanz.

Klonen

Erzeugen genetisch identischer „Kopien“ eines bestimmten Tieres. Lohnt sich vor allem bei wertvollen Zuchttieren. Klonen ist keine Gentechnik.

Das heute wichtigste Verfahren ist das CRISPR/Cas-System. Es besteht aus einem RNA-Fragment (CRISPR), welches gezielt DNA-Sequenzen erkennt, und einem Protein (Cas9), welches den DNA-Doppelstrang an dieser Stelle schneidet. Mit Hilfe der zelleigenen Reparaturmechanismen kann man an der jeweiligen Bruchstelle einen DNA-Abschnitt oder ein einzelnes Nukleotid einfügen, austauschen oder ausschneiden. Dabei ist das System schnell und einfach anwendbar, sehr präzise und kostengünstig.

Andere Genome Editing-Verfahren arbeiten ähnlich, sind aber schwieriger herzustellen und weniger präzise. Daher rücken sie zunehmend in den Hintergrund. Dazu zählen zum Beispiel TALEN oder Zinkfingernukleasen. Das Prinzip ist immer gleich: Diese Enzyme erkennen - wie auch das CRISPR/Cas-System - spezifisch die zu gewünschten DNA-Sequenzen und lösen dort einen Bruch des DNA-Doppelstrangs aus.

Die Genome Editing-Verfahren werden direkt an der befruchteten Eizelle angewandt. Dafür werden einem Spendertier befruchtete Eizellen entnommen oder Eizellen werden ausserhalb des Tieres in vitro befruchtet. Bevor die Kerne des Spermiums und der Eizelle miteinander verschmelzen (Vorkernstadium), wird das jeweilige Werkzeug (CRISPR/Cas-System oder Nuklease) durch Mikroinjektion oder Elektroporation in die Zelle eingebracht. Da das Werkzeug direkt als RNA eingeschleust wird und keine zusätzlichen Vektoren (Genfähren) erforderlich sind, gelangt auch keine Fremd-DNA in die Empfängerzelle. Nach wenigen Tagen, wenn sich die Eizelle zur sogenannten Keimblase (Blastozyste) entwickelt hat, wird diese in den Eileiter von Ersatzmuttertieren eingebracht, wo sich der Embryo weiterentwickelt. Bei den Nachkommen wird untersucht, ob sie die gewünschte Mutation tragen, und geeignete Tiere für die Weiterzucht ausgewählt. Meist ist das Editierwerkzeug so effizient, dass beide Allele des Zielgens mutiert sind und die Genveränderung homozygot vorliegt.

Im Juli 2018 entschied der Europäische Gerichtshof (EuGH), dass alle mit Genome Editing-Verfahren erzeugte Organismen - also auch Tiere - unter die geltenden Gentechnik-Gesetze fallen, d.h. als GVO (gentechnisch veränderter Organismus) gelten, auch wenn keine Fremd-DNA eingefügt wird. Wenn das so bleibt, müssten solche Tiere, aber auch die daraus hergestellten Produkte, nach Gentechnik-Recht zugelassen und gekennzeichnet werden. Für die meisten Konsumenten wären sie damit derzeit kaum akzeptabel.

Klassische Gentechnik: Viel Zufall, wenig Erfolg, selten gesunde Tiere

In der klassischen Gentechnik werden zur Erzeugung transgener Tiere verschiedene Verfahren eingesetzt. Eine 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 (meist in den männlichen). 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 jedoch gering: Je nach Tierart entwickeln sich 2 bis 15 Prozent der mikroinjizierten Zygoten zu lebenden Tieren, die auch das gewünschte Merkmal tragen. Zudem sind diese Tiere oft krank und nicht fortpflanzungsfähig.