image: Scientists at TUM have created chickens and pigs with integrated genetic scissors. This can be used at all stages of the animals' development. They have already demonstrated applications in chicken embryos (image) as well as in living pigs. view more
Credit: A. Heddergott / TUM
Forscherinnen und Forscher der TUM zeigen einen Weg auf, wie molekulare Mechanismen von Krankheitsresistenzen oder biomedizinische Fragestellungen im Nutztier effizient untersucht werden können: In der Grundlagen- und biomedizinischen Forschung können die Forschenden jetzt Gen-Mutationen gezielt in ein Wunschorgan einbringen oder auch bestehende Gene korrigieren, ohne für jedes Ziel-Gen neue Tiermodelle erzeugen zu müssen. Dies reduziert auch die Anzahl an Versuchstieren.
CRISPR/Cas9 ermöglicht gewünschte Gen-Manipulationen
CRISPR/Cas9 ist das Werkzeug, um die Informationen der DNA umzuschreiben. Gene können damit inaktiviert oder gezielt modifiziert werden. Das CRISPR/Cas9-System besteht aus zwei Bausteinen.
Die gRNA (guide RNA, also die führende oder leitende RNA) ist eine kurze Sequenz, welche spezifisch an den DNA-Abschnitt eines Gens bindet, der modifiziert werden soll. Die Cas9-Nuklease, die eigentliche Genschere, bindet an die gRNA und schneidet den jeweiligen Abschnitt der Ziel-DNA. Durch den Schnitt in der Ziel-DNA werden Reparaturmechanismen aktiviert, welche die Genfunktion inaktivieren oder spezifische Mutationen einbauen können.
Gesunde Hühner und Schweine mit eingebauter Genschere
Die von uns generierten Tiere liefern die Genschere das Cas9-Protein gleich mit. Es müssen also nur noch die leitenden RNAs eingebracht werden, um Tiere zu bekommen, die bestimmte genetische Eigenschaften haben, erklärt Benjamin Schusser, Professor für Biotechnologie der Reproduktion an der TUM. Die initiale Generierung der Tiere dauerte rund drei Jahre. Cas9 kann nun in allen Entwicklungsstadien der Tiere verwendet werden, da jede Zelle des Körpers dauerhaft das Cas9 Protein besitzt. Wir konnten sowohl Anwendungen in Hühnerembryonen als auch in lebenden Schweinen zeigen.
Die von den Forschenden erzeugten gesunden Hühner und Schweine, besitzen die Cas9-Nuklease demnach in allen untersuchten Organen. Dies ist besonders nützlich im Bereich der biomedizinischen und landwirtschaftlichen Forschung.
Analysewerkzeug zur Bekämpfung von Viren- oder Krebserkrankungen
Zum Beispiel werden Schweine als Krankheitsmodelle für den Menschen eingesetzt, da ihre Anatomie und Physiologie dem Menschen viel mehr ähnelt als die der Maus (derzeit gängiges Krankheitsmodell). So kann ein modifiziertes Schwein dabei helfen, den Mechanismus der Krebsentstehung im Menschen besser zu verstehen. Auch potenzielle neue Behandlungsmethoden für den Menschen können am Tiermodell getestet werden.
Das Vorhandensein von Cas9 in den Zellen beschleunigt und vereinfacht die Prozesse nun deutlich, sagt Angelika Schnieke, Professorin für Biotechnologie der Nutztiere an der TUM. Die mit Cas9 ausgestatteten Tiere ermöglichen etwa, dass tumor-relevante Gene gezielt inaktiviert werden und die Krebsentstehung simuliert werden kann.
Das Besondere an Cas9-Schweinen und -Hühnern ist, dass Forschende direkt im Tier testen können, welche Gene bei der Ausbildung von Merkmalen wie Krankheitsresistenzen involviert sein könnten. Der Mechanismus des CRISPR/Cas9 Systems kann außerdem zur Bekämpfung von Infektionen mit DNA-Viren nützlich sein. Erste Arbeiten in Zellkulturen zeigten, dass das für das Geflügel-Herpesvirus schon funktioniert, sagt Prof. Schusser.
Wichtige Ressource für die biomedizinische und landwirtschaftliche Forschung
Prof. Schnieke: Unsere Cas9-exprimierenden Hühner und Schweine stellen eine innovative Ressource für Genom-Editierungen in den biomedizinischen und landwirtschaftlichen Wissenschaften dar. Diese Tiere können anderen Forschungsgruppen zur Verfügung gestellt werden. Die biomedizinische und landwirtschaftliche Forschung kann somit durch effiziente Genom-Editierung im lebenden Tier vorangebracht werden.
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Journal
Proceedings of the National Academy of Sciences