Genom-Editierung: Was ist das und was bringt sie der Schweineindustrie?

Was ist Genom-Editierung?

Durch Genom-Editierung können präzise Veränderungen am Genom von Organismen vorgenommen werden. Dabei werden Nukleotide in der DNA-Sequenz gezielt hinzugefügt, verändert oder entfernt. Unter den verfügbaren Techniken hat die CRISPR-Cas9-Technologie aufgrund ihrer hohen Effizienz, Genauigkeit und relativ einfachen Anwendung große Popularität erlangt.

Wie funktioniert CRISPR-Cas9?

• Es wird eine Guide-RNA verwendet, eine kleine Sequenz von 20 Nukleotiden, die mit dem Teil der DNA übereinstimmt, der verändert werden soll.
• Diese Leitsequenz weist dem Enzym Cas9 den Weg zu der Stelle, an der die beiden DNA-Stränge gespalten werden sollen (Abb. 1).
• Nach der Spaltung versucht der Organismus, die DNA durch einen Prozess zu reparieren, der als nicht-homologe Endverknüpfung (NHEJ) bezeichnet wird. Während dieser Reparatur können Basenpaare an der Spaltstelle hinzugefügt werden oder verloren gehen.
• Diese Veränderungen in der DNA können das Leseraster des Gens verändern, was zu Veränderungen in der Aminosäuresequenz des Proteins führt, das das Gen produziert. Als Folge kann das Protein defekt oder funktionslos werden (Abb. 2).

Wir erinnern uns: Proteine bestehen aus langen Ketten von Aminosäuren, den Grundbausteinen der Proteine. Es gibt 20 verschiedene Arten von Aminosäuren, die jeweils durch eine bestimmte Abfolge von drei Stickstoffbasen in der DNA kodiert werden, die Tripletts oder Codons genannt werden. Diese Basen können Adenin, Cytosin, Thymin oder Guanin sein. Wenn das Leseraster der DNA (d. h. die Art und Weise, wie die Basen zu Tripletts gruppiert sind) verändert wird, ändert sich auch die Codonsequenz. Dies kann dazu führen, dass bei der Proteinsynthese falsche Aminosäuren eingebaut werden oder sogar ein Stoppcodon auftritt, wodurch die Proteinsynthese unterbrochen wird (Abb. 2).

Knockout-Tiere: Wenn Veränderungen in der DNA ein Protein ausschalten

Bei einem Tier wird von einem Knockout (KO) eines bestimmten Gens gesprochen, wenn durch genetische Veränderungen die Funktion eines Proteins ausgeschaltet wird. Diese Veränderungen ähneln Mutationen, die auf natürliche Weise durch spontane Prozesse entstehen können, aber in diesem Fall kontrolliert und gezielt durchgeführt werden. Daher ist es unmöglich zu unterscheiden, ob eine Mutation bei einem Tier auf natürliche Weise entstanden ist oder im Labor erzeugt wurde.

Es ist wichtig anzumerken, dass bei diesem Verfahren KEIN genetisches Material von anderen Arten eingeführt wird, so dass mit dieser Technik erzeugte KO-Tiere nicht als transgene Tiere gelten.

Ein Beispiel für ein KO-Tier ist ein gegen das PRRS-Virus resistentes Tier. Damit das PRRS-Virus das Schwein infizieren kann, muss es an einen bestimmten Rezeptor binden, der in den Alveolarmakrophagen der Schweinelunge vorkommt. Dieser Rezeptor wird von der SRCR5-Domäne des CD163-Gens kodiert. Wird dieser Rezeptor durch Genom-Editierung verändert oder entfernt, kann das Virus nicht mehr an die Zellen binden, was eine Infektion verhindert und das Schwein völlig resistent gegen PRRSV macht. Diese genetische Resistenz kann an die Nachkommen vererbt werden, so dass auch zukünftige Generationen gegen PRRS resistent sind.

Knockin-Tiere: Einführung neuer DNA-Stränge und neuer Gene

Eine Alternative zur Genom-Editierung besteht darin, die Spaltung der DNA durch Cas9 zu nutzen, um einen neuen DNA-Strang einzuführen. Auf diese Weise kann die Zelle das neue genetische Material durch einen Prozess einbauen, der als homologiegerichtete Reparatur (HDR, Abb. 1) bezeichnet wird. So kann eine defekte DNA-Sequenz durch eine funktionelle Sequenz ersetzt werden, wodurch das Gen korrigiert und wieder funktionsfähig wird, oder das Leseraster verändert wird, um ein KO-Tier zu erzeugen, bei dem ein Gen ausgeschaltet wurde. Darüber hinaus ermöglicht diese Technik die Insertion eines neuen, zusätzlichen Gens in das Genom des Organismus, das vorher nicht vorhanden war, was als Knockin (KI) oder transgen bezeichnet wird.

Wenn das eingebaute Gen von einer anderen Art stammt, entsteht eine genetische Kombination, die in der Natur nicht vorkommt. Solche Organismen werden als transgene Tiere bezeichnet, da die Gene einer anderen Art in ihre DNA eingebaut wurden.

Ein Beispiel für ein transgenes Schwein wäre ein Tier, bei dem das Gen UPC1 eingebaut wurde, das bei Schweinen natürlicherweise nicht vorkommt. Dieses Gen ermöglicht es den Tieren, ihre Körpertemperatur besser zu regulieren und somit niedrige Temperaturen besser zu ertragen. Infolgedessen lagern die Schweine weniger Unterhautfett ein, um ihre Körpertemperatur aufrechtzuerhalten, was den Anteil an magerem Gewebe erhöht (Abb. 3).

Basen-Editoren: ein präzises Werkzeug für die Genom-Editierung

Eine neuere Alternative zur Genom-Editierung ist der Einsatz von Basen-Editoren. Dabei handelt es sich um spezialisierte Enzyme, die anstatt die DNA zu spalten, ein Basenpaar an einer bestimmten Stelle im Genom präzise austauschen. Auf diese Weise kann die DNA gezielt verändert werden, ohne dass Brüche entstehen.

Diese Art des Austauschs kann verschiedene Auswirkungen haben. In einigen Fällen wird durch die Veränderung ein Stoppcodon eingefügt, das die Produktion des Proteins vorzeitig stoppt. Das Protein ist dann unvollständig und möglicherweise nicht funktionsfähig. In anderen Fällen wird dadurch eine Aminosäure im Protein verändert (eine so genannte Missense-Mutation), was die Struktur des Proteins verändern und seine Funktion beeinträchtigen kann. In beiden Fällen kann die Veränderung die Funktion des Proteins beeinträchtigen.

Sind alle gentechnisch veränderten Schweine gleich? Normative Regulierung vs. technische Entwicklung

Entwicklung

Es ist wichtig, ein technisches Verständnis der verschiedenen Arten der Genmanipulation zu haben, da die Regeln, die in jedem Fall gelten oder gelten sollten, unterschiedlich sind. Gegenwärtig schränken die meisten Gesetze der Welt die Verwendung transgener Tiere und die Vermarktung ihrer Produkte stark ein. Es werden jedoch Fortschritte bei der Unterscheidung zwischen genom-editierten und transgenen Tieren gemacht, was zu differenzierten Regelungen führen könnte. Technisch gesehen sind diese beiden Arten der gentechnischen Veränderung völlig unterschiedlich.

In der Europäischen Union werden die Vorschriften für genom-editierte Pflanzenprodukte, die so genannten neuen genomischen Techniken (NGT), bereits überprüft. Dies könnte dazu führen, dass diese Pflanzen von der Gesetzgebung für transgene, also gentechnisch veränderte Organismen (GVOs), ausgenommen werden. Bisher unterliegen genom-editierte Tiere jedoch noch der GVO-Gesetzgebung, was ihre Entwicklung und zukünftige Vermarktung einschränkt.

Von der Fundación Seneca gefördertes Projekt 22065/PI/22.