Gentechnische Methoden

Gene, die Währung der Vererbung, definieren jedes Lebewesen. In einem fein orchestrierten Zusammenspiel bestimmen sie maßgeblich unsere Entwicklung, unsere Eigenschaften. Und sie machen häufig den Unterschied zwischen Gesund– und Kranksein. Der Zusammenhang zwischen einem Gen und einer bestimmten Eigenschaft oder Krankheit ist dabei aber nur in den seltensten Fällen direkt, sondern entwickelt sich aus der Interaktion vieler Gene miteinander und mit den vielfältigen Einflüssen aus der Umwelt. Es ist darum nicht ausreichend, einzelne Gene zu studieren. Der Kontext eines Gens reicht weit über seine Sequenz und die Position auf den Chromosomen hinaus (siehe Info-​Kasten). Die Aktivitäten eines Gens können sich im gesamten Organismus auswirken – und das je nach Organ und Gewebe auch noch unterschiedlich. Die mächtigsten experimentellen Methoden, die Wirkungen eines Gens zu untersuchen, bietet die moderne Gentechnik mit vielfältigen Möglichkeiten zur Expression von veränderten Genen (Mutationen) bis hin zur völligen Ausschaltung eines Gens (Knock-​out).

Durch einen tiefgehenden Eingriff in das Genom wird ein fremdes oder verändertes Gen in die befruchtete Eizelle eines Tieres hineingeschleust – in der Regel in Mäuse, aber auch Ratten, Schweine und Kühe. Der künstlich erzeugte Gendefekt trifft dann alle Zellen im Körper des Lebewesens und ist auch vererbbar– ein transgenes Tier ist entstanden.

Dazu wird das fremde oder veränderte Gen zuerst als DNA-​Fragment gentechnisch hergestellt. Basis hierfür ist die bereits bekannte DNA-​Sequenz, die man zum Beispiel aus vorhandenen Genomdaten (siehe Infokasten) ableiten und um die Ergebnisse weiterer Genanalysen erweitern kann, um etwa wichtige Mutationen zu erfassen.

Unter dem Mikroskop injiziert man dann das synthetische DNA-​Fragment in den Vorkern einer befruchteten Eizelle, wo es mit Glück zufällig in die zelleigene DNA integriert wird. Da dieser Prozess der Genom-​Integration ineffizient und unkontrollierbar verläuft, werden in einem Experiment oft über hundert Eizellen behandelt und jeweils in Weibchen eingepflanzt. Wurde das fremde Gen zufällig an einer günstigen Position im Genom aufgenommen, entwickelt sich daraus ein Tier, welches das fremde Gen in all seinen Zellen trägt. Meistens liegt das fremde Gen aber nur als einzelne Kopie auf einem der beiden Schwester-​Chromosomen vor. Solche Tiere – Chimären genannt – werden dann über mehrere Generationen miteinander gekreuzt, bis sich das fremde Gen durch Vererbung etabliert hat. Es ist auch möglich, auf diese Art Gene zu zerstören oder auszuschalten. Diese transgenen Tiere nennt man dann Knock-​out-​Modelle (siehe Infokasten).

Die Erfolgsrate der Herstellung transgener Tiere durch Mikroinjektion in Eizellen variiert je nach Tierart und liegt bei der Maus immer noch weit unter zehn Prozent. Aus hundert Eizellen, denen man die fremde DNA eingeschleust hat, entwickeln sich in der Regel nur zwei bis fünf genveränderte Embryos. Seit einigen Jahren kann die Effizienz und Präzision der DNA-​Integration allerdings gesteigert werden – mit der neuartigen CRISPR/​Cas9-​Technik.

Die Bestandteile des CRISPR/​Cas9-​Systems wurden als Abwehrmechanismus in einem Bakterium entdeckt. In vereinfachter Form werden sie heute als gentechnisches Werkzeug hergestellt und auch kommerziell angeboten. Das Cas9 ist ein Protein, das wie eine Chromosomen-​Schere funktioniert, die eine DNA-​Kette nur dann schneidet, wenn ihre Sequenz einem bestimmten Muster entspricht. Dieses Muster gibt das CRISPR vor, ein RNA-​Fragment, das zusammen mit dem Bauplan der Cas9-​Schere ebenfalls durch Mikroinjektion in die Empfängerzelle geschleust wird.

Durch die Auswahl der RNA-​Sequenz ist es möglich, die Cas9-​Schere ganz gezielt auf dasjenige Gen auszurichten, das man experimentell verändern möchte. Die Enden der aufgeschnittenen DNA werden anschließend von zelleigenen Reparatursystemen wieder zusammengefügt. Bei der Reparatur geht ein Teil der Gensequenz verloren, das Gen wird dadurch inaktiv. Injiziert man jedoch ein passendes fremdes DNA-​Fragment mit den CRISPR/​Cas9-​Komponenten, nutzt die Empfängerzelle diese fremde DNA als Muster für die Reparatur und integriert deren Sequenz in die Schnittstelle. So kann die gewünschte Mutation oder auch ein komplettes fremdes Gen eingefügt werden. Die Erfolgsquoten übersteigen bisherige Methoden um ein Vielfaches und liegen bisweilen bei bis zu 70 Prozent.

Die bewusste Manipulation des Erbguts ist keine neue Erfindung. Lange Zeit war das Kreuzen aber die einzige Möglichkeit, zufällig aufgetretene, vorteilhafte Merkmale in das Genom einer Tier– oder Pflanzenart zu integrieren. Seit Mitte des letzten Jahrhunderts wird beispielsweise das Saatgut von Pflanzen bestrahlt, um dadurch zufällige DNA-​Veränderung hervorzurufen und neue Eigenschaften zu gewinnen. Ein gezielter Eingriff in das Erbgut von Tieren setzt jedoch die Entwicklung von gezielteren Methoden voraus, mit denen Eizellen und Embryos isoliert und im Labor manipuliert werden können.

1974 gelang es dem Biologen Rudolph Jaenisch, Genveränderungen in allen Organen einer Maus zu erzeugen, indem er ein Embryo mit einem Virus infizierte. Jon Gordon und Frank Ruddle perfektionierten 1980 den Eingriff. Sie injizierten die fremde DNA direkt in den Vorkern von befruchteten Eizellen und verpflanzten die entstandenen Embryos in die Gebärmutter einer Maus. Ein Teil der ausgewachsenen Mäuse integrierte die fremde DNA in den eigenen Chromosomen und vererbte sie so auch an die nächste Generation. Andere Wissenschaftler folgten dieser erfolgreichen Strategie. Vier Jahre später meldeten zwei Harvard-​Wissenschaftler die OncoMouse, eine transgene Maus, die spontan Brustkrebs entwickelt, zum Patent an. Sie hatten das kommerzielle Potenzial des transgenen Tiermodells zum ersten Mal erkannt.

Transgene Lebewesen und so genannte Knockout-​Tiere, bei denen durch Gentechnik ein Gen inaktiviert oder zerstört wurde (siehe Infokasten), sind heute aus der biologischen und medizinischen Grundlagenforschung nicht mehr wegzudenken. Man nutzt diese Technik, um die Bedeutung eines bestimmten Gens für den gesamten Organismus zu untersuchen. Als zum Beispiel die ersten Onkogene identifiziert wurden – mutierte Gene, die eine Krebsentstehung begünstigen –, wurden diese in Mäuse eingeschleust. Es zeigte sich, dass die transgenen Tiere viel öfter Krebs entwickelten als Tiere, welche die normale Variante des Gens trugen.

In den 1990er-​Jahren identifizierten Forscher Mutationen im APP-​Gen, das Amyloid-​Vorläuferproteine codiert. Diese Mutationen begünstigen eine Alzheimer-​Demenz. In der Folge stattete man transgene Mäuse mit mutierten APP-​Genen aus. Mittlerweile sind mehrere verschiedene Mutationen des Alzheimer APP-​Gens bekannt, die beim Menschen ein erhöhtes Risiko für die Entwicklung einer Alzheimer-​Demenz bedeuten. Die entsprechenden transgenen Mäuse bilden die Alzheimer-​typischen Amyloid-​Plaques und oft auch eine entsprechende Begleitsymptomatik, wie Lerndefizite und Neurodegeneration aus.

Im zweiten Schritt profitiert aber auch die anwendungsorientierte, therapeutische Forschung von den etablierten transgegen Tiermodellen. Die OncoMouse ist nur eines unter vielen Tiermodellen, die in der Entwicklung von neuen Krebstherapeutika genutzt werden. Die eingeschleusten krebserregenden Gene begünstigen die Entwicklung von Tumoren und erzeugen so Lebewesen, an denen man Behandlungsstrategien in vivo erproben kann.

Transgene Tiermodelle spielen auch bei der Entwicklung von Therapeutika zur Behandlung von Hirnerkrankungen eine wichtige Rolle. Basierend auf den oben erwähnten transgenen Alzheimer-​Modellen wurden verschiedene Medikamente sowie Impfstoffe gegen die Alzheimer-​Krankheit entwickelt. Geimpfte transgene Mäuse bilden zum Beispiel keine schädlichen Amyloid-​Aggregate in ihrem Gehirn; bereits bestehende Plaques lösen sich nach der Impfung sogar auf. Bislang ist es aber noch nicht gelungen, diese experimentellen Erfolge auch beim Menschen nutzbar zu machen. Bei einer anderen Krankheit, der Multiplen Sklerose, führte die Forschung mit transgenen Tieren hingegen zum Erfolg: Das Medikament beta-​Interferon ist heute aus der Behandlung der MS nicht mehr wegzudenken und hat manchen Betroffenen vor dem Rollstuhl bewahrt.

Trangene Tiermodelle liefern wichtige neue Erkenntnisse bezüglich therapeutischer Angriffspunkte bei Krankheiten, den so genannten Targets. Gleichzeitig sind Therapieerfolge im Tiermodell jedoch nur selten direkt auf Menschen übertragbar. Die Alzheimer-​Impfung etwa zeigt bei Menschen deutlich stärkere Nebenwirkungen. Die aufgeweckte Immunabwehr gegen die Plaques löst oft eine ausufernde, ungewollte Überreaktion mit Entzündungen im Gehirn aus. Ob die Andersartigkeit der Mausgene die Tiere vor solchen Nebeneffekten schützt, ist noch unklar. Ihre Alzheimer-​Immunabwehr richtet sich aber gezielt gegen das von außen eingebrachte Protein, das fremde Produkt eines menschlichen Gens, und greift andere, Maus-​spezifische Gehirnstrukturen nicht an.

Zudem ist die Erzeugung von Tiermodellen, die Krankheiten entwickeln, ethisch gesehen durchaus problematisch. Angesichts eines Mangels an Alternativen aber dürfte die transgene Methode weiterhin relevant bleiben ­– ist sie doch die einzige bislang verfügbare experimentelle Technik, welche die Bedeutung eines Gens für den gesamten Organismus erfasst und so die Erforschung humaner Krankheiten im Tiermodell ermöglicht. Nicht wenige Forscher glauben zudem, dass die Entwicklung und Testung von Medikamenten niemals ohne transgene Tiermodelle auskommen wird.

Neben ihrer Therapie-​Relevanz eröffnet die transgene Technik auch der Grundlagenforschung unzählige Möglichkeiten, die Funktion, Regulation und Interaktion der Gene zu untersuchen. Über die gezielte Auswahl von Promotern – genetischen Schaltern, die das fremde Gen ansprechbar für die Zelle machen ­– kann DNA gewebespezifisch eingeschleust und durch Medikamente ein– oder ausgeschaltet werden.

Sowohl die Erzeugung neuer transgener Tiermodelle also auch der Knockout-​Modelle entwickeln sich heute dank der neuen CRISPR/​Cas9-​Technik in einem dramatischen Tempo weiter. Vereinzelt wird heute schon von Erfolgsquoten von über 70 Prozent bei der Erzeugung der ersten transgenen Generation berichtet. Dies bedeutet, dass transgene Tiere in der Zukunft viel einfacher und viel schneller und letztendlich kostengünstiger geschaffen werden können. Es wird leichter, mehrere verschiedene Gene gleichzeitig zu manipulieren, um komplexe Zusammenhänge im Tier besser darzustellen und so die Grenzen der heutigen transgenen Modelle zu erweitern.