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Herstellung gentechnisch veränderter Mäuse

Grundprinzip der Gentechnik

Jedes Lebewesen besteht aus Zellen mit unterschiedlichen Funktionen. Alle Zellen eines Organismus enthalten jeweils die gleichen Erbinformationen in ihrem Zellkern, die von den Eltern geerbt wurden. Die unterschiedliche Entwicklung etwa zur Haarwurzelzelle oder Leberzelle kommt durch das gesteuerte Ablesen bestimmter Gene zustande, der nicht benötigte Teil der Gene ist inaktiv.

Mit Hilfe der vier Aminosäuren A, C, G und T, dem „Rückgrat“ der DNA (Desoxiribonukleinsäure), sind auf einem Gen alle wichtigen Informationen gespeichert: Zum Beispiel wie ein bestimmtes Protein hergestellt werden muss, um zu funktionieren. Auch in der Natur kommt es zu Veränderungen der Erbinformationen, im Laufe der Evolution entstand dadurch die Vielfalt an Leben auf unserem Planeten. Der Mensch greift nun aber selbst in diesen Prozess ein. Durch das Hinzufügen von Genen oder deren "Löschung" erhält die Zelle neue Informationen. Tiere, deren Erbinformationen derartig künstlich verändert werden, werden transgene oder gentechnisch-veränderte (gv) Organismen genannt.

Herstellung gentechnisch veränderter Mäuse

mikroinjektion

Bei den sogenannten "Knock-in Mäusen" werden der weiblichen Maus Hormone in die Bauchhöhle gespritzt, um möglichst viele Eizellen zur Ovulation zu bringen. Einen Tag nach der Verpaarung mit einem Männchen wird das Weibchen getötet, denn nur die befruchteten Eizellen (= Embryonen) sind für das weitere Verfahren interessant.

In die entnommenen, noch einzelligen Embryonen wird die gewünschte Erbinformation (DNA) durch feinste Nadeln eingebracht. Zwischenzeitlich wird ein zweites Weibchen mit einem durch Sterilisation zeugungsunfähigen Männchen verpaart, um so eine Scheinschwangerschaft zu erzeugen. Dieser scheinschwangeren Maus werden unter Narkose zwischen 20 bis 30 der gentechnisch manipulierten Embryonen in die Eileiter eingepflanzt. Als Ammenmutter trägt sie nun die Mäuseembryonen aus. 

Frühestens drei Tage nach der Geburt wird bei den Mäusejungen festgestellt, ob die gentechnische Manipulation geklappt hat. Hierzu wird Gewebe entnommen, am häufigsten werden 2 bis 3 mm der Schwanzspitze abgeschnitten. An dieser Gewebeprobe wird festgestellt, welche der Nachkommen die gewünschte DNA besitzen und transgen sind.

Ob diese transgenen Mäuse auch tatsächlich das gewünschte Protein produzieren wird aber erst an ihren Nachkommen, also der zweiten Generation, ermittelt. Hierzu werden die Mäuse der zweiten Generation getötet, weil ihre Organe zum Nachweis des gewünschten Proteins benötigt werden. Würde man die Elterntiere töten, könnten diese keine weiteren transgenen Mäuse produzieren. Nur in seltenen Fällen können die Proteine in Blut oder Urin der Mäuse festgestellt werden. Eine neue Mauslinie entsteht nur mit transgenen Elterntieren, deren Nachkommen die Umsetzung der neuen Erbinformation durch Produktion des neuen und gewünschten Proteins zeigen.

Erfolg der Genmanipulationen 

Die neue DNA, die in die befruchtete Eizelle per Mikroinjektion eingebracht wurde, kann an jeder beliebigen Stelle der natürlichen Erbanlagen eingebaut werden. D.h. Fehler sind vorprogrammiert. „Rutscht“ beispielsweise die neue DNA etwa in ein wichtiges Gen, kann dieses nicht mehr abgelesen werden. Transgene Tiere sind dadurch oft geringfügig bis erheblich belastet, oft sterben sie schon während der Schwangerschaft.

Für die Entwicklung einer neuen "Mauslinie" – also eines erfolgreich transgenen Tieres werden in etwa folgende Tiere „verbraucht“: 10 – 30 Muttertiere, 10 – 30 Ammenmütter, 2-10 sterilisierte männliche Mäuse sowie je 70 Nachkommen der  ersten und zweiten Generation. Etwa 50% der befruchteten Eizellen überleben die DNA-Injektion, von diesen überleben 10-30% der Mäuseembryonen die Schwangerschaft, hiervon sind  maximal 25 % transgen, von diesen 25 % zeigen wiederum maximal 75 % die Expression des gewünschten Proteins. Genetisch unerwünschte Tiere werden aussortiert und getötet. Ein Teil der erfolgreich genmanipulierten Tiere wird zur Zucht, der andere Teil für Versuche verwendet. Sie leben in Plastikkäfigen, pro Maus ist eine Bodenfläche von 60 Quadratzentimetern, also etwa 2/3 einer Postkarte, vorgeschrieben. Die Räume sind standardisiert, wie in der Versuchstierhaltung üblich. Sie unterliegen außerdem besonderen Sicherheitsvorkehrungen nach dem Gentechnikgesetz.                

Knock-out Mäuse

Durch diese Methode, die derzeit nur bei Mäusen routinemäßig möglich ist, kann mittels genetischer Manipulation ein zu untersuchendes Gen gezielt ausgeschaltet („ausgeknockt“) werden. Die Manipulation erfolgt an embryonalen Stammzellen, die aus Blastozysten (Keimbläschen, 4. Tag der Embryonalentwicklung) einer Mauslinie gewonnen werden. In diese embryonalen Stammzellen wird außerhalb des lebenden Organismus in der Petrischale (in vitro) eine zusätzliche Gensequenz zwischen das gewünschte Gen gesetzt, so dass dieses nicht mehr abgelesen und infolge dessen kein Protein mehr hergestellt werden kann.

Meist hängen die Wissenschaftler zusätzlich einen Biomarker mit an, damit der Erfolg der Genmanipulation hinterher erkannt werden kann. Die so manipulierten Stammzellen werden in die Blastozyste einer anderen Maus eingebracht, die als Leih- oder Ammenmutter die Nachkommen (auch als Chimären bezeichnet) austragen muss. Diese Nachkommen werden rückgekreuzt und neu verpaart, bis einige Tiere die Genmanipulation auf beiden Chromsomen aufweisen. Nach der Geburt sind erfolgreich transgene Tiere z. B. an ihrem zweifarbigen Fell zu erkennen, wenn  Stammzellenspender und Eizellenspender unterschiedliche Fellfarben hatten. Geschädigte Nachkommen sind häufig schwer erkennbar, sie zeigen unter anderem einen kleinen Körperwuchs, struppiges Fell, Inaktivität im Verhalten oder zusammengekauerte Körperhaltung.

Quellen

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