Zum somatischen Klonen von Tieren

Entwicklungsstand und Anwendungsperspektiven

  • Abb. 1: Schematische Darstellung des Vorgehens bei der Erstellung transgener Tiere über den somatischen Kerntransfer.Abb. 1: Schematische Darstellung des Vorgehens bei der Erstellung transgener Tiere über den somatischen Kerntransfer.
  • Abb. 1: Schematische Darstellung des Vorgehens bei der Erstellung transgener Tiere über den somatischen Kerntransfer.
  • Abb. 2: Gesundes vitales Kalb, geboren nach Übertragung eines geklonten Embryos auf ein Empfängertier.
  • Abb. 3: Ablauf des somatischen Kerntransfers, wie er mit einem geeigneten Mikroskop sichtbar gemacht werden kann. Nach Entfernung der Metaphasenplatte der Chromosomen aus der gereiften Eizelle, wird eine intakte somatische Zelle vorsichtig zwischen Zytoplasma und Eihülle (Zona pellucida) platziert und beide Anteile durch kurze elektrische Impulse fusioniert und die Eizelle aktiviert, so dass das Genom der übertragenen Zelle rückprogrammiert und die Embryonalentwicklung beginnen kann.

Mit dem Klonschaf „Dolly" ist ein langjähriges Dogma der Biologie gefallen, nach dem eine differenzierte Zelle nicht mehr in einen „embryonalen" (pluripotenten) Zustand zurückprogrammiert werden kann. Die mit dem erfolgreichen Klonen beim Säugetier verbundenen  vielfältigen Anwendungsperspektiven in Landwirtschaft und Medizin haben zu einer breiten, häufig kontroversen öffentlichen Diskussion geführt. Der aktuelle Entwicklungsstand des Klonens von Nutztieren und die sich daraus abzeichnenden Anwendungsperspektiven sind Thema dieses Beitrags.

Technik und Erfolgsraten des somatischen Klonens
Der somatische Kerntransfer beinhaltet eine Vielzahl von Schritten, die meist unter einem Mikroskop durchgeführt werden müssen (Abb. 1). Zuerst erfolgt die Entkernung der Empfängereizelle durch Heraussaugen eines kleinen Anteils des Zytoplasmas mit den darin enthaltenen mütterlichen Chromosomen (Enukleation). Im zweiten Schritt wird eine intakte einzelne Spenderzelle zu der enukleierten Eizelle in möglichst engen Kontakt gesetzt. Anschließend werden beide Zelltypen durch kurze elektrische Impulse miteinander fusioniert und im letzten Schritt aktiviert. Die Aktivierungv ersetzt den rekonstruierten Embryo in die Lage, die Embryonalentwicklung zu beginnen und bis zur Geburt des Jungtiers zu durchlaufen. Bei der normalen Befruchtung wird die Eizelle durch das eindringende Spermium aktiviert. Dies wird beim Klonen durch elektrische Impulse oder chemisch ausgelöst. Anschließend werden die auf diese Weise erstellten Embryonen über mehrere Tage im Brutschrank kultiviert, bevor sie für einen späteren Transfer tiefgefroren oder direkt in Empfängertiere übertragen werden können. Die daraus entstehenden geklonten Nachkommen haben ein weitgehend identisches Erbgut, können sich aber in einer Vielzahl von Eigenschaften unterscheiden, da die Empfängereizelle nunterschiedliche maternale Proteine, RNAs und Mitochondrien aufweisen.

Der dem somatischen Klonen zugrundeliegende Mechanismus ist im Wesentlichen epigenetischer Natur.

Unter Epigenetik werden alle Vorgänge an der „Verpackung" der DNA zusammengefasst, wie Methylierungen spezifischer DNA-Abschnitte und biochemische Veränderungen an den Histonproteinen. Die Aktivität von Genen wird ganz wesentlich von dem jeweiligen Verpackungszustand beeinflusst. Die Reprogrammierung der somatischen Zelle beinhaltet die Löschung des genetischen Programms der differenzierten Zelle, in der etwa 8000 der insgesamt ~22.000 Gene aktiv sind und den korrekten Beginn des embryonalspezifischen Programms mit etwa 12.000 aktiven Genen. Die Basenabfolge der DNA bleibt dabei unverändert.

Im Prinzip können alle somatischenZellen durch den Klonprozess zurückprogrammiert werden; allerdings können Unterschiede in der Effizienz bestehen. Bei mehr als einem Dutzend Säugerspezies sind bisher lebensfähige geklonte Nachkommen geboren worden (Rind, Schaf, Ziege, Schwein, Maultier, Pferd, Katze, Maus, Kaninchen, Ratte, Frettchen, Büffel, Kamel, Hund, Wolf). Bei Rind und Schwein, mit Abstrichen bei Schaf und Ziege, liegt bereits umfangreicheres Datenmaterial vor. Beim Rind wird die Anzahl geklonter Tiere weltweit auf etwa 4000 geschätzt, beim Schwein auf circa 1000- 1500. Bei diesen Spezies sind die Erfolgsraten in den vergangenen Jahren bereits erheblich verbessert worden, wobei die Raten immer noch weit unter den Trächtigkeitsraten nach konventioneller Besamung liegen; dies ist im Wesentlichen bedingt durch eine erhöhte embryonale und fetale Mortalität bei den Klonnachkommen. Nach dem Klonen kann ferner die Entwicklung bei einem kleineren Anteil der Nachkommen beeinträchtigt sein. Eine fehlerhafte Ausbildung der Plazenta wird nach heutigem Kenntnisstand als Hauptursache für die Entwicklungsstörungen angesehen.

Die meisten Klone sind aber gesund und entwickeln sich normal (Abb. 2). Die Produkte aus geklonten Tieren unterscheiden sich nicht von denen normaler Tieren; das wurde in mehreren umfassenden Studien bestätigt. Die Aufsichtsbehörden in Europa, USA, Japan und anderen Ländern haben Milch, Fleisch und andere Produkte von geklonten Rindern, Schweinen und Schafen als gesundheitlich völlig unbedenklich und sicher für den Verbraucher eingestuft.

Anwendungsperspektiven
Das überaus große Anwendungspotential des somatischen Kerntransfers hat dazu geführt, dass sich bereits mehrere kommerzielle Firmen mit dieser Technologie befassen und wirtschaftliche Nutzungen anbieten. Hier stehen vor allem das „Reproduktive Klonen" zur Erstellung identischer Nachkommen (beispielsweise in der Pferdezucht) sowie die Erstellung transgener Nutztiere für die Biomedizin im Vordergrund.

Im Rahmen dieses Beitrags wird speziell auf die Produktion transgener Tiere (Abb. 3) eingegangen.

Somatisches Klonen zur Produktion transgener Tiere
Mit Hilfe des Kerntransfers ist es erstmals beim Nutztier möglich, nicht nur ein Gen hinzuzufügen, sondern auch Gene spezifisch auszuschalten (sogen. genetischer Knockout). Die Spenderzellen können durch etablierte Verfahren mit einem neuen Gen versehen oder endogene Gene mutiert werden und dann im Kerntransfer eingesetzt werden. Ein großer Vorteil gegenüber herkömmlichen Gentransferverfahren ist die Möglichkeit der Prüfung auf korrekten Einbau des neuen Gens und dessen Aktivität in den Spenderzellen und die Selektion der am besten geeigneten Zellen. Die züchterische Erstellung transgener Tiere ist durch neu entwickelte Hilfsmittel, wie Zinkfinger-Nukleasen, Transposons und die Verfügbarkeit pluripotenter Zellen in der jüngeren Vergangenheit wesentlich vereinfacht worden.

Transgene Tiere für die Biomedizin
Die Produktion transgener Nutztiere ist in der Biomedizin bereits weit fortgeschritten. Ein prominentes Beispiel ist die Erzeugung rekombinanter pharmazeutischer Proteine in der Milchdrüse genetisch veränderter Tiere (Gene Pharming), wie beispielsweise Blutgerinnungsfaktoren oder andere dringend benötigte pharmazeutische Eiweiße. Das menschliche Antithrombin III, ein antikoagulatives Protein, wird in der Milchdrüse transgener Ziegen produziert. Es wird als rekombinantes Protein aus der Milch aufgereinigt und ist das erste Produkt aus dieser Herstellungsweise, das sowohl durch die europäische Arzneimittelbehörde EMEA (2006) als auch durch die FDA (2009) als Medikament (ATryn) zugelassen worden ist. Aktuell sollen sich bis zu zwölf weitere rekombinante Proteine aus der Milchdrüse transgener Nutztiere in klinischen Testphasen befinden.

Ein weiteres Beispiel ist die Produktion von humanen Eiweißfaktoren im Schwein, um die verschiedenen Formen von Abstoßungsreaktionen bei einer Xenotransplantation, d.h. der Übertragung von Organen zwischen verschiedenen Spezies, zu unterbinden. Die Xenotransplantation gilt als vielversprechend, um den vorherrschenden Mangel an geeigneten Organen (Herz, Nieren, Leber) für Patienten mit Organversagen zu mildern oder zu beheben. Bedingt durch die großen Erfolge der Transplantationsmedizin herrscht weltweitein Mangel an geeigneten Organen, so dass betroffenen Patienten häufig nicht rechtzeitig ein passendes Organ transplantiert werden kann. Erste Erfolge sind zu verzeichnen. Nach Übertragung transgener Schweineorgane in immunsupprimierte Primaten (Paviane, Cynomolgus Affen) sind bereits Überlebensraten von >100 Tagen, in Einzelfällen auch bis zu sechs Monaten, erzielt worden. Die Wirksamkeit einer Übertragung von Inselzellen vom Schwein zur Behandlung von Diabetikern wird bereits in klinischen Tests geprüft. Dies wäre die erste Xenotransplantation, die in der Klinik angewandt würde.

Transgene Tiere für landwirtschaftliche Anwendungsbereiche
Es gibt auch prominente Beispiele für interessante Anwendungsbereiche transgener Nutztiere in der landwirtschaftlichen Produktion. In Neuseeland sind transgene Rinder mit verändertem Caseingehalt in der Milch produziert worden. Diese Tiere haben mehr kappa-Casein in der Milch als normale Tiere; die Milch soll dadurch effizienter für die Joghurt- und Quarkproduktion nutzbar sein. Kürzlich wurde das erfolgreiche Klonen von Kühen, die allergenfreie Milch produzieren, bekannt. Bei diesen Tieren war das Gen, was für das ß-Lactoglobulin kodiert, ausgeschaltet worden. Beim Schwein ist gezeigt worden, dass durch die Übertragung eines pflanzlichen Desaturase-Gens das Fettsäuremuster im Muskelfleisch in Richtung von deutlich mehrfach ungesättigten Fettsäuren verschoben werden kann. Ein solcher Ansatz könnte die Produktion von gesünderem Schweinefleisch ermöglichen.

Ethische Aspekte und Ausblick
Die züchterischen Möglichkeiten mit dem somatischen Klonen in Verbindung mit den neuen genomischen Kenntnissen sind auch mit neuen ethischen Herausforderungen verbunden. Bei der Entwicklung des somatischen Klonens und transgener Tiere wird im Allgemeinen ein ganzheitliches Vorgehen angestrebt, bei dem neben der Entwicklung und Validierung die Gesundheit und das Wohlbefinden der Tiere im Vordergrund stehen. Da diese Kriterien bei verantwortungsbewusster Anwendungvon somatischem Klonen und transgenen Tieren erfüllt werden, sollte eine breitere Anwendung in der praktischen Tierzucht ethisch vertretbar sein. In Deutschland ist mit dem Embryonenschutzgesetz zudem das Klonen mit humanen Zellen verboten. Weltweit ist das Klonen von Menschen geächtet.

Zusammen mit der genomischen Analyse eröffnet das somatische Klonen neue Wege für die Tierzucht im Hinblick auf eine nachhaltige Verbesserung und Effizienzsteigerung - sowohl in der westlichen  Welt, als auch in den Entwicklungsländern. Eine möglichst effiziente Nutzung landwirtschaftlicher Nutztiere ist angesichts weltweiter Knappheit an landwirtschaftlich nutzbarem Land, der wachsenden Weltbevölkerung und den Klimaproblemen dringend geboten.

Zusammenfassung
Das somatische Klonen ist das jüngste biotechnologische Verfahren, für das sich die Einführung in die tierzüchterische Praxis abzeichnet. Obwohl intensive Forschungsarbeiten schon zu deutlichen Verbesserungen geführt haben, ist das komplizierte Verfahren verglichen mit konventionell erzeugten Tieren noch sehr ineffektiv. Aus diesem Grund wird das somatische Klonen weltweit nur in wenigen Labors für spezifische Fragestellungen eingesetzt.

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