Sleeping Beauty und die Keimbahn von Tieren – neues Verfahren für Gentransfer

Mit dieser Methode haben die Wissenschaftler Gene in die Keimbahn von Versuchstieren übertragen. Bei Mäusen, Ratten, Kaninchen und Schweinen konnten die Wissenschaftler zeigen, dass ihre Methode sicher und effizient ist und methodisch mehr Spielraum für die Übertragung von Genen bietet als bisherige Verfahren. Über die Forschungsergebnisse berichtet Nature Protocols in seiner Online-Ausgabe vom 13.03.2014.

Werden Gene einer Tierart bzw. Spezies auf eine andere übertragen, entstehen transgene Organismen. Mit solchen transgenen Tieren werden angeborene und erworbene Krankheiten erforscht und sie dienen der pharmazeutischen Forschung. Zudem können sie als Biolieferanten menschliche Proteine bilden, die als Arzneimittel genutzt werden. Auch im Hinblick auf Organersatz werden transgene Tiere erforscht. 

Wissenschaftler um Dr. Zoltán Ivics, Leiter der Abteilung Medizinische Biotechnologie des Paul-Ehrlich-Instituts, haben in einer internationalen Kooperation mit Forschern aus Deutschland, Ungarn, Österreich, der Tschechischen Republik und den USA ein Verfahren entwickelt, mit dem es möglich ist, effizient, sicher und dauerhaft Gene in die Keimbahn von Mäusen, Ratten, Kaninchen und Schweinen einzuführen.

Dazu bedienen sie sich des springenden Gens „Sleeping Beauty“ (s.u.) und eines Zweikomponenten-Systems: Der DNA-Abschnitt, in den die zu übertragende DNA-Sequenz als Transgen-Einheit eingebaut ist (Transposonplasmid) sowie die genetische Information für das Enzym Transposase (z.B. in Form von mRNA), die den Einbau der Transgen-Einheit in die tierische Keimbahn-DNA vornimmt, werden in eine befruchtete Eizelle der entsprechende Tierspezies injiziert.

Die genetisch modifizierte Eizelle wird in das Muttertier übertragen. Während der Transposition schneidet die Transposase die Transgen-Einheit aus dem Transposonplasmid heraus und baut sie in die chromosomale DNA der Eizelle ein. Da die Transposase nur vorübergehend in der Zelle gebildet wird, wird die Transgen-Einheit stabil integriert und kann nicht an weitere chromosomale Stellen übertragen werden.

Dieses Zweikomponenten-System verbindet die Vorteile retroviraler Genfähren (dauerhafter Einbau von Transgenen in das Wirtsgenom) mit denen nackter DNA-Moleküle (einfache und sichere Produktion und Applikation). Der hier zur Anwendung kommende „Cut-and-paste“-Mechanismus (Transposition) erlaubt zudem den Transfer größerer und komplexerer Transgen-Einheiten als die bisher üblichen Verfahren.

Ein weiterer wichtiger Vorteil: Mit dieser Methode werden Mosaizismen (nicht alle Zellen der transgenen Tiere enthalten die Transgene) vermieden. Dies liegt nach Einschätzung der Wissenschaftler an der präzisen Integration der einzelnen Transgen-Einheit innerhalb eines engen Zeitfensters. „Das Sleeping-Beauty-Transposon-Systems wird das Spektrum der genetischen Veränderungen, die vorgenommen werden können, deutlich vergrößern“, erläutert Ivics die Bedeutung des neuen Verfahrens.

Denn alle bisher gängigen Verfahren der Keimbahn-Transgenese – Pronukleusinjektion von Plasmid DNA, spermienvermittelter Gentransfer (SMGT), intrazytoplasmatischer Spermieninjektion (ICSI) oder Injektion rekombinanter lentiviraler Vektoren – haben jeweils ihre Einschränkungen. Dazu gehören eine geringere Effizienz des Gentransfers von teilweise nur um ein Prozent, das Auftreten genetischer Mosaizismen, Chromosomenveränderungen, begrenzte Größe der als Transgen-Einheit transferierbaren Gene oder auch eine mit dem Verfahren verbundene Toxizität. 

Hintergrund – Springende Gene – „Sleeping Beauty“

Ein Transposon – springendes Gen – ist ein DNA-Abschnitt, der seine Position im Genom verändern kann (Transposition). Die Fähigkeit, in das Genom zu integrieren, lässt sich für den Gentransfer nutzen. „Sleeping Beauty“ ist ein künstliches Transposon, das abgeleitet von Transposons, die schon vor mehr als zehn Millionen Jahren in Fischen vorkamen, rekonstruiert und in Anlehnung an Grimms Dornröschen „Sleeping Beauty“ genannt und „zum Leben erweckt“ wurde. Sleeping Beauty war das erste Transposon, für das gezeigt wurde, dass es effizient eine Transposition in Wirbeltierzellen vermitteln kann.

http://www.nature.com/nprot/journal/v9/n4/full/nprot.2014.008.html
http://www.nature.com/nprot/journal/v9/n4/full/nprot.2014.009.html
http://www.nature.com/nprot/journal/v9/n4/full/nprot.2014.010.html