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Genmanipulierte Maus (GM)


Nach der Veröffentlichung der Sequenzierung und Analyse eines Mäusestamms im Dezember 2002ANCHOR wurde die Maus zum auserwählten Tiermodell für die meisten Laborexperimente. Wegen ihres Potentials für Genmanipulation zieht man die Maus heutzutage Ratten und anderen Nagetieren sowohl bei Sicherheitstests als auch in der Grundlagenforschung vor. Genetisch veränderte Mäuse– transgene und Knock-out-Exemplare – sind mittlerweile wertvolle Werkzeuge auf den meisten Gebieten der medizinischen Forschung.

Die Maus ist ein hervorragendes Modell für Humankrankheiten, da die Organisation ihrer DNA und ihre Genexpression dem Menschen sehr ähnlich sind. Ihre Reproduktions- und Nervensysteme sind den menschlichen sehr ähnlich und sie leiden unter den gleichen Krankheiten, wie Krebs, Diabetes und sogar Angstzustände. Durch Genmanipulation können sie auch andere Krankheiten entwickeln, von denen sie auf natürliche Weise nicht betroffen sind. Dadurch hat die Forschung an der Maus zum besseren Verständnis sowohl der menschlichen Physiologie als auch der Krankheitsursachen beigetragen.

In Zeiten vor der Gentechnologie wurden durch Inzucht der Mäuse Laborstämme mit bestimmten Eigenschaften entwickelt. Diese Inzuchtstämme sind sich genetisch ähnlich, was sie ideal zur Erforschung von Auswirkungen genetischer Veränderungen macht.

Statistiken
Was ist eine transgene Maus?
Die Schaffung transgener Mäuse
Beispiele für transgene Stämme
Knock-out-Mäuse
Der Hintergrund des Gen-Targeting
Die Schaffung von Knock-out-Mäusen
Beispiele für Knock-out-Mäuse
Referenzen

Statistiken

Die einfache Manipulierbarkeit ihrer Gene hat die Maus zum meistverwendeten Versuchstier gemacht. Der Einsatz von Mäusen ist im Vereinigten Königreich in den letzten 10 Jahren gestiegen, allein zwischen 2005 und 2006 betrug dieser Anstieg 5%. Die meisten der Mäuse wurden für Zuchtprogramme und biologische Grundlagenforschung verwendet. Die zunehmende Zahl der Mäuse für Laborversuche steht in direkter Verbindung mit der Entwicklung neuer Technologien, die die Manipulation der Mausgene ermöglichen.

Was ist eine transgene Maus?

Bei einer transgenen Maus wurden die Chromosomen verändert und den Genen fremde DNA zugefügt. Diese Gene sind im Nukleus jeder Körperzelle vorzufinden, es enthalten demnach sämtliche Mausgene diese neue DNA. Die fremde DNA kann sowohl vom Menschen als auch von einem anderen Tier oder einer anderen Maus stammen.

Die Veränderung der DNA bedeutet normalerweise, dass die Zelle eine Funktion dazugewinnt, wie die Produktion einen neuen Proteins. Einige transgene Mäuse produzieren zum Beispiel ein Protein, das von menschlichen Immunzellen erkannt wird und somit eingesetzt werden kann, um eine bestimmte Krankheit zu modellieren. Sollte die neue DNA mit dem biochemischen Weg oder der Produktion eines bestimmten Proteins in Konflikt geraten, bedeutet die fremde DNA manchmal auch den Verlust einer Funktion.

Transgene Mäuse sind lehrreiche Modelle, um zu verstehen, wie Gene die Prozesse im Körper regulieren, da die Auswirkung der Veränderung eines bestimmten Gens am gesamten Organismus beobachtet werden kann. Ebenso werden sie zur Erforschung von Humankrankheiten genutzt, die durch 'Fehler' bei der Proteinproduktion verursacht werden, wie zum Beispiel bei Haemophilia A. In dem Fall codiert das ausschlaggebende Gen ein als Faktor VIII bekanntes Protein, das zur Blutgerinnung benötigt wird.

Die Schaffung transgener Mäuse

Die zwei meist genutzten Techniken zur Einführung fremder DNA in die Maus sind die Vorkerninjektion und die Anwendung embryonischer Stammzellen.

Bei der Vorkerninjektion wird die fremde DNA in den Vorkern einer besamten Maus- Eizelle injiziert. Diese fremde DNA integriert sich meist erst nach der ersten oder zweiten Zellteilung an einer zufälligen Position in das Genom. Das bedeutet, dass sich die transgene DNA nicht in allen Zellen der Maus befindet, was sie zu einem nicht vollständig transgenem Tier macht. Die transgenen Eier oder Spermien dieser Mäuse werden dann dazu verwendet, die nächste Generation vollständig transgener Mäuse zu schaffen.

Beim Einführen der DNA in Embryostammzellen integriert sich diese meist an zufälliger Position in das Genom. Wenn sie aber eine ähnliche Struktur, wie ein bereits existierender Teil der DNA hat, wird diese vom Genom „erkannt“ und es kommt zur homologen Rekombination, wobei nur eine Einzelkopie der DNA an einer bestimmten Position in das Genom aufgenommen wird. Diese Embryozellen müssen dann wachsen, werden in einen Wirtsembryo injiziert und somit Teil der Maus, die aus diesem Embryo entsteht. Die Maus, die aus diesem Wirtsembryo entsteht, wird als Chimäre bezeichnet und entwickelt sich aus den Embryozellen zweier verschiedener Mäuse. Einige der Spermien, die diese Chimäre produzieren, sind transgen – sie enthalten also die fremde DNA. Wenn diese Spermien eine normale Eizelle befruchten, wird die sich daraus entwickelnde Maus vollständig transgen sein, die fremde DNA wird also in allen Zellen vorhanden sein.

Beispiele für transgene Stämme

Große Mäuse besitzen ein Rattenhormongen, wodurch sie größer werden als normalerweise und darum interessant für die Erforschung von Wachstum und Entwicklung sind.

•    Krebsmäuse besitzen ein inaktiviertes Krebsgen und sind dadurch besonders anfällig auf diese Krankheit. Diese Mäuse haben bereits sehr viel zum Verständnis vieler Krebsarten und der Entwicklung von Behandlungstechnologien beigetragen.

•    Doogie-Mäuse haben ein verbessertes Gedächtnis und höhere Lernkapazität. Diese Mäuse verfügen über eine erweiterte Funktion der NMDA-Rezeptoren, die das Gehirn benötigt, um neue Informationen zu speichern.

Knock-out-Mäuse

Die Entwicklung von Knock-out- und Knock-in-Mausstämmen in den 1980er Jahren war ein bedeutender Fortschritt für die Genetik. Mit dieser Technologie können bestimmte Gene auf dem DNA-Strang verändert werden. Meistens werden sie entfernt, können aber auch inaktiviert oder eingefügt werden. Dadurch können Forscher die genaue Funktion einzelner Gene herausfinden. Diese genmanipulierten (GM) Mäuse stellen hervorragende Modelle für viele menschliche Krankheiten dar, die zuvor nicht in Tieren erforscht werden konnten. Die Sequenzierung und Analyse des Mausgenoms hat bereits die gezielte Untersuchung und Veränderung zahlreicher Gene ermöglicht. Den Schaffern der ersten Knock-out-Mäuse wurde im Jahr 2007 der Nobelpreis für Medizin verliehen.

Der Hintergrund des Gen-Targeting

Die Technik, die zur Schaffung von Knock-out-Mäusen führte, wurde in Bakterien von Joshua Lederburg entwickelt. Dafür erhielt er 1958 den Nobelpreis für Medizin. Er entdeckte, dass Bakterienstämme gekreuzt werden können und daraus einzigartige genetische Neukombinationen entstehen, ähnlich wie bei der sexuellen Fortpflanzung. Das bedeutete, dass die durch Röntgenstrahlen hervorgerufenen Mutationen an ihrer genetischen Struktur weitergegeben werden konnten. Lederburg beschrieb als Erster den Prozess der homologen Rekombination an Bakterien, bei der Chromosomenpaare ihr genetisches Material austauschen, und fand heraus, dass während der Rekombination andere Stücke genetischen Materials im Bakterienkörper in die genetische Struktur integriert werden konnten.


Zwei amerikanische Wissenschaftler, Mario Capecchi und Oliver Smithies arbeiteten beide gleichzeitig an Techniken, um bestimmte Sequenzen des Säugetiergenoms zu verändern. Beide erkannten unabhängig voneinander, dass Lederburgs Technik auch dazu verwendet werden könnte, Mutationen in Säugetiergene einzufügen. Martin Evans Arbeit an Embryostammzellen stellte die nötigen Mittel bereit, um Mutationen in ein lebendes Tier durch Veränderung der Stammzellen einzufügen und diese dann in befruchtete Mauseizellen zu injizieren.

Die Schaffung von Knock-out-Mäusen

Knock-out und Knock-in-Mäuse werden durch gezielte Genveränderung (Gen-Targeting) geschaffen. Diese Technik ermöglicht die Veränderung eines bestimmten Gens des Mausgenoms indem es durch eine ähnliche genetische Sequenz ausgetauscht wird, die ebenfalls verändert wurde und eine Mutation enthält. Durch die Mutation funktioniert das Gen oft nicht. Beim Knock-in von Genen (dem Einsetzen in einer exakten Position) wird ein Mausgen oft durch ein ähnliches Gen vom menschlichen Genom ersetzt.

Das mutierte Gen wird in einem bakteriellen Plasmid kreiert, das dann in eine Mausembryo-Stammzelle injiziert wird, die üblicherweise von einer männlichen Maus stammt. Diese Zellen stammen von einem sehr frühen Mausembryo. Sie werden sich unzählige Male teilen und jegliche Art von Körperzelle bilden. Das Ziel ist es, dass das mutierte genetische Material aus dem Plasmid DNA in den Spermien der ausgewachsenen Maus bildet. Sobald sich das Plasmid im Inneren der Stammzelle befindet, tauschen die beiden ähnlichen DNA-Sequenzen ihr genetisches Material durch homologe Rekombination aus und das mutierte Gen gelangt so in das Mausgenom. Diese Stammzellen werden dann in einen Wirtsembryo eingepflanzt, um dort zu wachsen. Meist nutzt man Mäuse mit verschieden Fellfarben als Wirte, damit es eindeutig ist, welche Tiere die mutierten Gene tragen.

Die hier entstehende Maus wird eine Chimäre sein, da nicht alle ihrer Zellen verändert sind. Diese Maus wird Fell beider Farben haben. Wenn nun das Sperma der chimären Maus eine normale Eizelle befruchtet, werden einige der Nachkommen eine Einzelkopie des mutierten Gens tragen. Das Fell dieser Mäuse wird die Farbe der ursprünglich genetisch veränderten Maus haben.

Durch Inzucht zwischen diesen Mäusen erzielt man Nachkommen mit zwei Kopien des mutierten Gens. Dies sind die Knock-out-Mäuse.

Beispiele für Knock-out-Mäuse

Es gibt viele Beispiele für Knock-out-Mäuse, da diese Technik zur Erforschung sämtlicher physiologischer Aspekte und als Modell für zahlreiche Humankrankheiten genutzt wird.


•    Dicke Mäuse, die durch eine Carboxypeptidase E-Defizienz zur Fettleibigkeit neigen.

•    Starke Mäuse mit einem inaktivierten Myostatin-Gen.

•    Mäuse mit Kältetoleranz, die durch das Fehlen eines Natriumkanals bei Kälte keinen Schmerz empfinden.Nach der Veröffentlichung der Sequenzierung und Analyse eines Mäusestamms im Dezember 20021 wurde die Maus zum auserwählten Tiermodell für die meisten Laborexperimente. Wegen ihres Potentials für Genmanipulation zieht man die Maus heutzutage Ratten und anderen Nagetieren sowohl bei Sicherheitstests als auch in der Grundlagenforschung vor. Genetisch veränderte Mäuse– transgene und Knock-out-Exemplare – sind mittlerweile wertvolle Werkzeuge auf den meisten Gebieten der medizinischen Forschung.

Die Maus ist ein hervorragendes Modell für Humankrankheiten, da die Organisation ihrer DNA und ihre Genexpression dem Menschen sehr ähnlich sind. Ihre Reproduktions- und Nervensysteme sind den menschlichen sehr ähnlich und sie leiden unter den gleichen Krankheiten, wie Krebs, Diabetes und sogar Angstzustände. Durch Genmanipulation können sie auch andere Krankheiten entwickeln, von denen sie auf natürliche Weise nicht betroffen sind. Dadurch hat die Forschung an der Maus zum besseren Verständnis sowohl der menschlichen Physiologie als auch der Krankheitsursachen beigetragen.

In Zeiten vor der Gentechnologie wurden durch Inzucht der Mäuse Laborstämme mit bestimmten Eigenschaften entwickelt. Diese Inzuchtstämme sind sich genetisch ähnlich, was sie ideal zur Erforschung von Auswirkungen genetischer Veränderungen macht.

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> Referenzen

Statistiken

Die einfache Manipulierbarkeit ihrer Gene hat die Maus zum meistverwendeten Versuchstier gemacht. Der Einsatz von Mäusen ist im Vereinigten Königreich in den letzten 10 Jahren gestiegen, allein zwischen 2005 und 2006 betrug dieser Anstieg 5%. Die meisten der Mäuse wurden für Zuchtprogramme und biologische Grundlagenforschung verwendet. Die zunehmende Zahl der Mäuse für Laborversuche steht in direkter Verbindung mit der Entwicklung neuer Technologien, die die Manipulation der Mausgene ermöglichen.

Was ist eine transgene Maus?

Bei einer transgenen Maus wurden die Chromosomen verändert und den Genen fremde DNA zugefügt. Diese Gene sind im Nukleus jeder Körperzelle vorzufinden, es enthalten demnach sämtliche Mausgene diese neue DNA. Die fremde DNA kann sowohl vom Menschen als auch von einem anderen Tier oder einer anderen Maus stammen.

Die Veränderung der DNA bedeutet normalerweise, dass die Zelle eine Funktion dazugewinnt, wie die Produktion einen neuen Proteins. Einige transgene Mäuse produzieren zum Beispiel ein Protein, das von menschlichen Immunzellen erkannt wird und somit eingesetzt werden kann, um eine bestimmte Krankheit zu modellieren. Sollte die neue DNA mit dem biochemischen Weg oder der Produktion eines bestimmten Proteins in Konflikt geraten, bedeutet die fremde DNA manchmal auch den Verlust einer Funktion.

Transgene Mäuse sind lehrreiche Modelle, um zu verstehen, wie Gene die Prozesse im Körper regulieren, da die Auswirkung der Veränderung eines bestimmten Gens am gesamten Organismus beobachtet werden kann. Ebenso werden sie zur Erforschung von Humankrankheiten genutzt, die durch 'Fehler' bei der Proteinproduktion verursacht werden, wie zum Beispiel bei Haemophilia A. In dem Fall codiert das ausschlaggebende Gen ein als Faktor VIII bekanntes Protein, das zur Blutgerinnung benötigt wird.

Die Schaffung transgener Mäuse

Die zwei meist genutzten Techniken zur Einführung fremder DNA in die Maus sind die Vorkerninjektion und die Anwendung embryonischer Stammzellen.

Bei der Vorkerninjektion wird die fremde DNA in den Vorkern einer besamten Maus- Eizelle injiziert. Diese fremde DNA integriert sich meist erst nach der ersten oder zweiten Zellteilung an einer zufälligen Position in das Genom. Das bedeutet, dass sich die transgene DNA nicht in allen Zellen der Maus befindet, was sie zu einem nicht vollständig transgenem Tier macht. Die transgenen Eier oder Spermien dieser Mäuse werden dann dazu verwendet, die nächste Generation vollständig transgener Mäuse zu schaffen.

Beim Einführen der DNA in Embryostammzellen integriert sich diese meist an zufälliger Position in das Genom. Wenn sie aber eine ähnliche Struktur, wie ein bereits existierender Teil der DNA hat, wird diese vom Genom „erkannt“ und es kommt zur homologen Rekombination, wobei nur eine Einzelkopie der DNA an einer bestimmten Position in das Genom aufgenommen wird. Diese Embryozellen müssen dann wachsen, werden in einen Wirtsembryo injiziert und somit Teil der Maus, die aus diesem Embryo entsteht. Die Maus, die aus diesem Wirtsembryo entsteht, wird als Chimäre bezeichnet und entwickelt sich aus den Embryozellen zweier verschiedener Mäuse. Einige der Spermien, die diese Chimäre produzieren, sind transgen – sie enthalten also die fremde DNA. Wenn diese Spermien eine normale Eizelle befruchten, wird die sich daraus entwickelnde Maus vollständig transgen sein, die fremde DNA wird also in allen Zellen vorhanden sein.

Beispiele für transgene Stämme

Große Mäuse besitzen ein Rattenhormongen, wodurch sie größer werden als normalerweise und darum interessant für die Erforschung von Wachstum und Entwicklung sind.

•    Krebsmäuse besitzen ein inaktiviertes Krebsgen und sind dadurch besonders anfällig auf diese Krankheit. Diese Mäuse haben bereits sehr viel zum Verständnis vieler Krebsarten und der Entwicklung von Behandlungstechnologien beigetragen.

•    Doogie-Mäuse haben ein verbessertes Gedächtnis und höhere Lernkapazität. Diese Mäuse verfügen über eine erweiterte Funktion der NMDA-Rezeptoren, die das Gehirn benötigt, um neue Informationen zu speichern.

Knock-out-Mäuse

Die Entwicklung von Knock-out- und Knock-in-Mausstämmen in den 1980er Jahren war ein bedeutender Fortschritt für die Genetik. Mit dieser Technologie können bestimmte Gene auf dem DNA-Strang verändert werden. Meistens werden sie entfernt, können aber auch inaktiviert oder eingefügt werden. Dadurch können Forscher die genaue Funktion einzelner Gene herausfinden. Diese genmanipulierten (GM) Mäuse stellen hervorragende Modelle für viele menschliche Krankheiten dar, die zuvor nicht in Tieren erforscht werden konnten. Die Sequenzierung und Analyse des Mausgenoms hat bereits die gezielte Untersuchung und Veränderung zahlreicher Gene ermöglicht. Den Schaffern der ersten Knock-out-Mäuse wurde im Jahr 2007 der Nobelpreis für Medizin verliehen.

Der Hintergrund des Gen-Targeting

Die Technik, die zur Schaffung von Knock-out-Mäusen führte, wurde in Bakterien von Joshua Lederburg entwickelt. Dafür erhielt er 1958 den Nobelpreis für Medizin. Er entdeckte, dass Bakterienstämme gekreuzt werden können und daraus einzigartige genetische Neukombinationen entstehen, ähnlich wie bei der sexuellen Fortpflanzung. Das bedeutete, dass die durch Röntgenstrahlen hervorgerufenen Mutationen an ihrer genetischen Struktur weitergegeben werden konnten. Lederburg beschrieb als Erster den Prozess der homologen Rekombination an Bakterien, bei der Chromosomenpaare ihr genetisches Material austauschen, und fand heraus, dass während der Rekombination andere Stücke genetischen Materials im Bakterienkörper in die genetische Struktur integriert werden konnten.

Zwei amerikanische Wissenschaftler, Mario Capecchi und Oliver Smithies arbeiteten beide gleichzeitig an Techniken, um bestimmte Sequenzen des Säugetiergenoms zu verändern. Beide erkannten unabhängig voneinander, dass Lederburgs Technik auch dazu verwendet werden könnte, Mutationen in Säugetiergene einzufügen. Martin Evans Arbeit an Embryostammzellen stellte die nötigen Mittel bereit, um Mutationen in ein lebendes Tier durch Veränderung der Stammzellen einzufügen und diese dann in befruchtete Mauseizellen zu injizieren.

Die Schaffung von Knock-out-Mäusen

Knock-out und Knock-in-Mäuse werden durch gezielte Genveränderung (Gen-Targeting) geschaffen. Diese Technik ermöglicht die Veränderung eines bestimmten Gens des Mausgenoms indem es durch eine ähnliche genetische Sequenz ausgetauscht wird, die ebenfalls verändert wurde und eine Mutation enthält. Durch die Mutation funktioniert das Gen oft nicht. Beim Knock-in von Genen (dem Einsetzen in einer exakten Position) wird ein Mausgen oft durch ein ähnliches Gen vom menschlichen Genom ersetzt.

Das mutierte Gen wird in einem bakteriellen Plasmid kreiert, das dann in eine Mausembryo-Stammzelle injiziert wird, die üblicherweise von einer männlichen Maus stammt. Diese Zellen stammen von einem sehr frühen Mausembryo. Sie werden sich unzählige Male teilen und jegliche Art von Körperzelle bilden. Das Ziel ist es, dass das mutierte genetische Material aus dem Plasmid DNA in den Spermien der ausgewachsenen Maus bildet. Sobald sich das Plasmid im Inneren der Stammzelle befindet, tauschen die beiden ähnlichen DNA-Sequenzen ihr genetisches Material durch homologe Rekombination aus und das mutierte Gen gelangt so in das Mausgenom. Diese Stammzellen werden dann in einen Wirtsembryo eingepflanzt, um dort zu wachsen. Meist nutzt man Mäuse mit verschieden Fellfarben als Wirte, damit es eindeutig ist, welche Tiere die mutierten Gene tragen.

Die hier entstehende Maus wird eine Chimäre sein, da nicht alle ihrer Zellen verändert sind. Diese Maus wird Fell beider Farben haben. Wenn nun das Sperma der chimären Maus eine normale Eizelle befruchtet, werden einige der Nachkommen eine Einzelkopie des mutierten Gens tragen. Das Fell dieser Mäuse wird die Farbe der ursprünglich genetisch veränderten Maus haben.

Durch Inzucht zwischen diesen Mäusen erzielt man Nachkommen mit zwei Kopien des mutierten Gens. Dies sind die Knock-out-Mäuse.

Beispiele für Knock-out-Mäuse

Es gibt viele Beispiele für Knock-out-Mäuse, da diese Technik zur Erforschung sämtlicher physiologischer Aspekte und als Modell für zahlreiche Humankrankheiten genutzt wird.

•    Dicke Mäuse, die durch eine Carboxypeptidase E-Defizienz zur Fettleibigkeit neigen.

•    Starke Mäuse mit einem inaktivierten Myostatin-Gen.

•    Mäuse mit Kältetoleranz, die durch das Fehlen eines Natriumkanals bei Kälte keinen Schmerz empfinden.Nach der Veröffentlichung der Sequenzierung und Analyse eines Mäusestamms im Dezember 20021 wurde die Maus zum auserwählten Tiermodell für die meisten Laborexperimente. Wegen ihres Potentials für Genmanipulation zieht man die Maus heutzutage Ratten und anderen Nagetieren sowohl bei Sicherheitstests als auch in der Grundlagenforschung vor. Genetisch veränderte Mäuse– transgene und Knock-out-Exemplare – sind mittlerweile wertvolle Werkzeuge auf den meisten Gebieten der medizinischen Forschung.

Die Maus ist ein hervorragendes Modell für Humankrankheiten, da die Organisation ihrer DNA und ihre Genexpression dem Menschen sehr ähnlich sind. Ihre Reproduktions- und Nervensysteme sind den menschlichen sehr ähnlich und sie leiden unter den gleichen Krankheiten, wie Krebs, Diabetes und sogar Angstzustände. Durch Genmanipulation können sie auch andere Krankheiten entwickeln, von denen sie auf natürliche Weise nicht betroffen sind. Dadurch hat die Forschung an der Maus zum besseren Verständnis sowohl der menschlichen Physiologie als auch der Krankheitsursachen beigetragen.

In Zeiten vor der Gentechnologie wurden durch Inzucht der Mäuse Laborstämme mit bestimmten Eigenschaften entwickelt. Diese Inzuchtstämme sind sich genetisch ähnlich, was sie ideal zur Erforschung von Auswirkungen genetischer Veränderungen macht.

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> Der Hintergrund des Gen-Targeting

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> Referenzen

Statistiken

Die einfache Manipulierbarkeit ihrer Gene hat die Maus zum meistverwendeten Versuchstier gemacht. Der Einsatz von Mäusen ist im Vereinigten Königreich in den letzten 10 Jahren gestiegen, allein zwischen 2005 und 2006 betrug dieser Anstieg 5%. Die meisten der Mäuse wurden für Zuchtprogramme und biologische Grundlagenforschung verwendet. Die zunehmende Zahl der Mäuse für Laborversuche steht in direkter Verbindung mit der Entwicklung neuer Technologien, die die Manipulation der Mausgene ermöglichen.

Was ist eine transgene Maus?

Bei einer transgenen Maus wurden die Chromosomen verändert und den Genen fremde DNA zugefügt. Diese Gene sind im Nukleus jeder Körperzelle vorzufinden, es enthalten demnach sämtliche Mausgene diese neue DNA. Die fremde DNA kann sowohl vom Menschen als auch von einem anderen Tier oder einer anderen Maus stammen.

Die Veränderung der DNA bedeutet normalerweise, dass die Zelle eine Funktion dazugewinnt, wie die Produktion einen neuen Proteins. Einige transgene Mäuse produzieren zum Beispiel ein Protein, das von menschlichen Immunzellen erkannt wird und somit eingesetzt werden kann, um eine bestimmte Krankheit zu modellieren. Sollte die neue DNA mit dem biochemischen Weg oder der Produktion eines bestimmten Proteins in Konflikt geraten, bedeutet die fremde DNA manchmal auch den Verlust einer Funktion.

Transgene Mäuse sind lehrreiche Modelle, um zu verstehen, wie Gene die Prozesse im Körper regulieren, da die Auswirkung der Veränderung eines bestimmten Gens am gesamten Organismus beobachtet werden kann. Ebenso werden sie zur Erforschung von Humankrankheiten genutzt, die durch 'Fehler' bei der Proteinproduktion verursacht werden, wie zum Beispiel bei Haemophilia A. In dem Fall codiert das ausschlaggebende Gen ein als Faktor VIII bekanntes Protein, das zur Blutgerinnung benötigt wird.

Die Schaffung transgener Mäuse

Die zwei meist genutzten Techniken zur Einführung fremder DNA in die Maus sind die Vorkerninjektion und die Anwendung embryonischer Stammzellen.

Bei der Vorkerninjektion wird die fremde DNA in den Vorkern einer besamten Maus- Eizelle injiziert. Diese fremde DNA integriert sich meist erst nach der ersten oder zweiten Zellteilung an einer zufälligen Position in das Genom. Das bedeutet, dass sich die transgene DNA nicht in allen Zellen der Maus befindet, was sie zu einem nicht vollständig transgenem Tier macht. Die transgenen Eier oder Spermien dieser Mäuse werden dann dazu verwendet, die nächste Generation vollständig transgener Mäuse zu schaffen.

Beim Einführen der DNA in Embryostammzellen integriert sich diese meist an zufälliger Position in das Genom. Wenn sie aber eine ähnliche Struktur, wie ein bereits existierender Teil der DNA hat, wird diese vom Genom „erkannt“ und es kommt zur homologen Rekombination, wobei nur eine Einzelkopie der DNA an einer bestimmten Position in das Genom aufgenommen wird. Diese Embryozellen müssen dann wachsen, werden in einen Wirtsembryo injiziert und somit Teil der Maus, die aus diesem Embryo entsteht. Die Maus, die aus diesem Wirtsembryo entsteht, wird als Chimäre bezeichnet und entwickelt sich aus den Embryozellen zweier verschiedener Mäuse. Einige der Spermien, die diese Chimäre produzieren, sind transgen – sie enthalten also die fremde DNA. Wenn diese Spermien eine normale Eizelle befruchten, wird die sich daraus entwickelnde Maus vollständig transgen sein, die fremde DNA wird also in allen Zellen vorhanden sein.

Beispiele für transgene Stämme

Große Mäuse besitzen ein Rattenhormongen, wodurch sie größer werden als normalerweise und darum interessant für die Erforschung von Wachstum und Entwicklung sind.

•    Krebsmäuse besitzen ein inaktiviertes Krebsgen und sind dadurch besonders anfällig auf diese Krankheit. Diese Mäuse haben bereits sehr viel zum Verständnis vieler Krebsarten und der Entwicklung von Behandlungstechnologien beigetragen.

•    Doogie-Mäuse haben ein verbessertes Gedächtnis und höhere Lernkapazität. Diese Mäuse verfügen über eine erweiterte Funktion der NMDA-Rezeptoren, die das Gehirn benötigt, um neue Informationen zu speichern.

Knock-out-Mäuse

Die Entwicklung von Knock-out- und Knock-in-Mausstämmen in den 1980er Jahren war ein bedeutender Fortschritt für die Genetik. Mit dieser Technologie können bestimmte Gene auf dem DNA-Strang verändert werden. Meistens werden sie entfernt, können aber auch inaktiviert oder eingefügt werden. Dadurch können Forscher die genaue Funktion einzelner Gene herausfinden. Diese genmanipulierten (GM) Mäuse stellen hervorragende Modelle für viele menschliche Krankheiten dar, die zuvor nicht in Tieren erforscht werden konnten. Die Sequenzierung und Analyse des Mausgenoms hat bereits die gezielte Untersuchung und Veränderung zahlreicher Gene ermöglicht. Den Schaffern der ersten Knock-out-Mäuse wurde im Jahr 2007 der Nobelpreis für Medizin verliehen.

Der Hintergrund des Gen-Targeting

Die Technik, die zur Schaffung von Knock-out-Mäusen führte, wurde in Bakterien von Joshua Lederburg entwickelt. Dafür erhielt er 1958 den Nobelpreis für Medizin. Er entdeckte, dass Bakterienstämme gekreuzt werden können und daraus einzigartige genetische Neukombinationen entstehen, ähnlich wie bei der sexuellen Fortpflanzung. Das bedeutete, dass die durch Röntgenstrahlen hervorgerufenen Mutationen an ihrer genetischen Struktur weitergegeben werden konnten. Lederburg beschrieb als Erster den Prozess der homologen Rekombination an Bakterien, bei der Chromosomenpaare ihr genetisches Material austauschen, und fand heraus, dass während der Rekombination andere Stücke genetischen Materials im Bakterienkörper in die genetische Struktur integriert werden konnten.

Zwei amerikanische Wissenschaftler, Mario Capecchi und Oliver Smithies arbeiteten beide gleichzeitig an Techniken, um bestimmte Sequenzen des Säugetiergenoms zu verändern. Beide erkannten unabhängig voneinander, dass Lederburgs Technik auch dazu verwendet werden könnte, Mutationen in Säugetiergene einzufügen. Martin Evans Arbeit an Embryostammzellen stellte die nötigen Mittel bereit, um Mutationen in ein lebendes Tier durch Veränderung der Stammzellen einzufügen und diese dann in befruchtete Mauseizellen zu injizieren.

Die Schaffung von Knock-out-Mäusen

Knock-out und Knock-in-Mäuse werden durch gezielte Genveränderung (Gen-Targeting) geschaffen. Diese Technik ermöglicht die Veränderung eines bestimmten Gens des Mausgenoms indem es durch eine ähnliche genetische Sequenz ausgetauscht wird, die ebenfalls verändert wurde und eine Mutation enthält. Durch die Mutation funktioniert das Gen oft nicht. Beim Knock-in von Genen (dem Einsetzen in einer exakten Position) wird ein Mausgen oft durch ein ähnliches Gen vom menschlichen Genom ersetzt.

Das mutierte Gen wird in einem bakteriellen Plasmid kreiert, das dann in eine Mausembryo-Stammzelle injiziert wird, die üblicherweise von einer männlichen Maus stammt. Diese Zellen stammen von einem sehr frühen Mausembryo. Sie werden sich unzählige Male teilen und jegliche Art von Körperzelle bilden. Das Ziel ist es, dass das mutierte genetische Material aus dem Plasmid DNA in den Spermien der ausgewachsenen Maus bildet. Sobald sich das Plasmid im Inneren der Stammzelle befindet, tauschen die beiden ähnlichen DNA-Sequenzen ihr genetisches Material durch homologe Rekombination aus und das mutierte Gen gelangt so in das Mausgenom. Diese Stammzellen werden dann in einen Wirtsembryo eingepflanzt, um dort zu wachsen. Meist nutzt man Mäuse mit verschieden Fellfarben als Wirte, damit es eindeutig ist, welche Tiere die mutierten Gene tragen.

Die hier entstehende Maus wird eine Chimäre sein, da nicht alle ihrer Zellen verändert sind. Diese Maus wird Fell beider Farben haben. Wenn nun das Sperma der chimären Maus eine normale Eizelle befruchtet, werden einige der Nachkommen eine Einzelkopie des mutierten Gens tragen. Das Fell dieser Mäuse wird die Farbe der ursprünglich genetisch veränderten Maus haben.

Durch Inzucht zwischen diesen Mäusen erzielt man Nachkommen mit zwei Kopien des mutierten Gens. Dies sind die Knock-out-Mäuse.

Beispiele für Knock-out-Mäuse

Es gibt viele Beispiele für Knock-out-Mäuse, da diese Technik zur Erforschung sämtlicher physiologischer Aspekte und als Modell für zahlreiche Humankrankheiten genutzt wird.

•    Dicke Mäuse, die durch eine Carboxypeptidase E-Defizienz zur Fettleibigkeit neigen.

•    Starke Mäuse mit einem inaktivierten Myostatin-Gen.

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Quellen

  1. Mouse Genome Sequencing Consortium, Nature 420, 520-562 (2002)
  2. Home Office: Statistics of Scientific Procedures on Living Animals: Great Britain 2006. http://www.homeoffice.gov.uk/rds/pdfs07/spanimals06.pdf
  3. F. Alam et al. (2010) Bioluminescence imaging of a clinical isolate of Streptococcus pyogenes, Luminescence 25 ,2  179 -181

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