Klonen von Säugetieren - Chance oder Gefahr

INHALTSVERZEICHNIS

Die Ursprünge des Begriffes ,,Klonen"

Zwei Wege führen nach Rom: Wege zum künstlichen

Klonen Klonen über eineiige Mehrlingsbildung

Klonen durch Kerntransfer

Erster Schritt in Richtung großtechnisches Klonen: Kombination beider Möglichkeiten

Letzte Hürden auf dem Weg zum beliebigen Vermehren von Embryonen

Dolly - drei Mütter, kein Vater

Mögliche Anwendungen und Gefahren des Klonens

Zusammenfassung

Literatur

In der letzten Zeit tauchen Begriffe wie ,,klonen", ,,Genmanipulation" und ,,menschliches Genom" immer wieder in den Medien auf, da besonders im Bereich der Gentechnik in den vergangenen Jahren bahnbrechende Entdeckungen gemacht wurden. Meistens haftet diesen Worten ein recht negatives Image an. Dieses Referat soll einen wichtigen Zweig dieser neuen Gen-Technologien, das Klonen, behandeln. Vor allem sollen die verschiedenen Wege zum Klonen, die Durchführbarkeit und die möglichen Anwendungen erklärt werden. Bei der Beurteilung soll klar dargestellt werden, in wieweit es sich bei den gesellschaftlichen Ängsten vor dieser neuen Technologie um Paranoia handelt, wobei aber auch die berechtigten Vorbehalte nicht außer Acht gelassen werden sollen.

Die Ursprünge des Begriffes ,,Klonen"

Abbildung 1: geklonte Krallenfrösche (aus[4] )

Der Begriff ,,Klonen" wurde nicht erst durch die Entdeckungen der letzten Jahre geprägt, auch beschreibt er keinen in der Biologie neuen Vorgang, vielmehr wurde der Begriff von einem natürlichen Phänomen auf die künstliche Ausführung eines ähnlichen Vorganges übertragen. In der Natur ist ,,klonen" das Synonym für die ungeschlechtliche Fortpflanzung, bei der genetisch identische Individuen aus einer Mutterpflanze bzw. einem Muttertier hervorgehen. Die einfachste Form des Klonens ist die Zellteilung bei Bakterien und allen anderen Lebewesen, bei der sich eine Zelle teilt und zwei unabhängige Zellen entstehen, die genetisch absolut identisch sind. Auch komplexere Lebewesen verfügen noch über diese Fähigkeit, beispielsweise kann sich der Süßwasserpolyp Hydra, der erste richtige Vielzeller, durch Knospung vermehren, das heißt, dass ein genetisch identischer Polyp aus ihm wächst, der sich schließlich abtrennt und unabhängig weiter existiert. Bei Pflanzen ist das Klonen sehr weit verbreitet, viele Pflanzen, darunter viele, die wir als Unkraut bezeichnen, bilden unterirdische Ausläufer. Kartoffelpflanzen bilden Knollen, aus denen neue, genetisch identische Pflanzen wachsen können.

Der Begriff ,,Klon" beschreibt eine Gruppe von erbgleichen Individuen, die durch ungeschlechtliche Vermehrung entstanden sind. Dies kann auf natürlichem Wege, zum Beispiel beim Süßwasserpolypen Hydra, oder künstlich im Labor, wie zum Beispiel bei Krallenfröschen (Abb. 1), passieren.

Zwei Wege führen nach Rom: Wege zum künstlichen Klonen

Schon 1891 gelang es erstmals ein Kaninchenembryo in eine Leihmutter zu übertragen. Dies war ein Schritt in Richtung selektiver Vermehrung von Säugetieren, die gewünschte Eigenschaften hatten. Durch diese Technik wurde es zum Beispiel möglich, dass man mehr Nachkommen einer ertragreichen Milchkuh aufziehen kann, als diese jemals in ihrem Leben gebären könnte, 1951 wurde das erste Kalb auf diesem Wege geboren, schon bald darauf wurde diese Praxis Routine. Mit dem Wissen, dass man Embryonen eine gewisse Zeit außerhalb des Körpers kultivieren kann entdeckte man schließlich eine Art des Klonens.

Klonen über eineiige Mehrlingsbildung

Abbildung 2: Stadien der Embryonalentwicklung (aus[1] )

Eineiige Mehrlinge kommen in der Natur nur sehr selten vor, auch Tiere, die mehrere Junge pro Wurf zur Welt bringen tragen mehrere befruchtete Eier aus. Beim Menschen kommen nur bei 0,3% aller Geburten eineiige Zwillinge zur Welt, eineiige Drillinge und Vierlinge sind noch seltener. Die Bildung von Mehrlingen erfolgt spontan, es ist jedoch möglich, künstlich Mehrlinge zu erzeugen, so dass man praktisch einen Klon erzeugen kann. Beim Schaf erreichte man dies, indem man die sich teilenden Zellen in einem frühen Stadium, zum Beispiel dem 2-Zell-Stadium (siehe rechts) voneinander trennt. Beide Zellen entwickeln sich dann getrennt voneinander zu einem Lebensfähigen Individuum. Eine andere Möglichkeit ist das Halbieren der Blastozyste, so nennt man das Ei in einem späteren Stadium. Die Blastozyste ist zu diesem Zeitpunkt noch in der Lage sich zu regenerieren und es entstehen zwei genetisch identische Individuen. Das Verfahren wird vor allem in der Rinderzucht angewandt. Ein entscheidender Nachteil der Methode liegt darin, dass man auf diese Art nur sehr wenige geklonte Lebewesen erzeugen kann. Zum einen kann man die Blastozyste nicht in beliebig viele teile zerlegen, da schon erste Differenzierungen stattgefunden haben. Diese Differenzierungen beginnen im Stadium der Morula (32-Zell-Stadium). Selbst wenn man die undifferenzierte Morula in ihre einzelne Zellen unterteilen würde könnte man keinesfalls 32 Individuen erzeugen, da die einzelnen Zellen zu klein wären um wieder zu einem vollständigen Embryo zu werden. Die Bildung von mehr als acht bis sechzehn Individuen ist nicht möglich. Mit polyploiden menschlichen Zygoten hat man nachgewiesen, dass diese Methode theoretisch auf den Menschen übertragbar wäre.

Klonen durch Kerntransfer

Die erläuterte Methode hat einen entscheidenden Nachteil: der ursprüngliche Embryo stirbt ab. Will man den Embryo am Leben erhalten kann man einzelne Zellen entnehmen und sie in eine neue Eizelle übertragen, aus der zuvor der Kern abgesaugt wurde. Zwischen den Zellmembranen wird ein enger Kontakt hergestellt und ein kurzer Elektroschock veranlasst die Zellen zu fusionieren. Obwohl das Verfahren einfach klingt ist die Erfolgsquote relativ gering, sie variiert von Tier zu Tier. Bei der Maus, dem klassischen Versuchs-Säuger, stellten sich kaum Erfolge ein, bei den Nutztieren Schaf und Rind waren die Erfolgsquoten entgegen aller Erwartungen höher. Man vermutet, dass dies mit der genetischen Aktivität des Kernes zusammenhängt: Bei der Maus setzt diese im 2-Zell-Stadium ein, beim Schaf und Rind erst im 4- bzw. 8-Zell-Stadium. Bei einem menschlichen Embryo beginnt die Kernaktivität im 4- bis 8-Zell-Stadium.

Um zu garantieren, dass sich die Oozyte nach dem Kerntransfer normal entwickelt scheint es wichtig, dass ihr Zytoplasma und der Kern harmonieren, dass heißt in ihrem Zyklus übereinstimmen. Die ersten Teilungen der Oozyte - die Furchungsteilungen - verlaufen jedoch nicht synchron, die Zellen eines Embryos befinden sich in unterschiedlichen Stadien, dies macht es zur Glückssache einen passenden Kern zu einer passenden Oozyte zu finden. Da der Kerntransfer noch vor der Differenzierung stattfinden muss und die Erfolgsquote sehr gering ist musste man sich also etwas anderes einfallen lassen, um die Erfolgsquoten zu steigern.

Erster Schritt in Richtung großtechnisches Klonen: Kombination beider Möglichkeiten

In der Rinderzucht wurde erstmals probiert beide Methoden des Klonens zu verbinden. Die Zellen der Furchungsstadien wurden voneinander getrennt und in neue Oozyten übertragen. Wenn sie wiederum ein fortgeschrittenes Stadium erreicht hatten wurden sie nochmals getrennt und die Kerne transferiert. Wenn man diese Schritte mehrmals durchführt ist es möglich viele genetisch identische Individuen zu erzeugen. Obwohl der Verschleiß an Eizellen, der technische Aufwand und die Verluste an Zellen während der Manipulation sehr groß sind, sollen auf diesem Weg in einem Fall elf Kälber auf die Welt gekommen sein. Man sieht, dass es kompliziert ist die totipotenten Zellen, so heißen diejenigen Zellen, deren Kern einen neuen, kompletten Embryo aufbauen können, eines Embryos zu vermehren. Aus diesem Grund musste man sich eine neue Quelle von verwendbarem Zellmaterial erschließen, welches auch in großer Menge zu haben ist.

Letzte Hürden auf dem Weg zum beliebigen Vermehren von Embryonen

Abbildung 3: Der Zellzyklus (aus[4] S.13)

Gute Erfolge erzielte man bei der Maus, indem man ein Embryo im Stadium der Blastozyste (siehe Abb. 2) auf einem besonderen Nährboden weiter wachsen ließ, nachdem man die die Oozyte schützende Hülle entfernt und die Zellen voneinander getrennt hatte. Die Zellen zeigten auf diesem speziellen Zellrasen keine Anstalten sich zu differenzieren und konnten weiter kultiviert werden. In Versuchen mit Mäusen konnte man nachweisen, dass es sich tatsächlich um Stammzellen handelte, die zu allen Gewebearten differenzieren konnten. Da die Zellen von einem Embryo abstammen nennt man sie auch embryonale Stammzellen oder ES-Zellen.

Ein weiteres, bereits erwähntes Hindernis war die Abstimmung zwischen Kern und Empfänger Oozyte. Um diese herzustellen wurden die ES-Zellen in ein Medium gegeben, dass nur fünf Prozent des normalen Nährstoffgehaltes enthielt. Die Zellen durchliefen noch einmal die Mitose, leiteten aber nicht die G1-Phase (Abb. 3) ein, sondern blieben in einer Wartephase (G0-Phase). Nach der Mitose liegt die DNS nur haploid vor, genau wie der Vorkern einer Oozyte. Sowohl Kern, also auch Oozyte warten somit auf die S-Phase, in der die DNS-Verdopplung stattfindet.

Durch die Erschließung der ES-Zellen und die neue Möglichkeit zur Herstellung von Synchronie war es nun theoretisch möglich geworden jedes Embryo beliebig oft zu vermehren. Da man die Qualität eines Embryos jedoch nicht beurteilen kann, bevor das Lebewesen ausgewachsen ist und es sehr aufwendig ist die Klone erst einzufrieren, suchte man weiter nach einer neuen Methode, mit der es möglich ist auch erwachsene Säugetiere zu klonen.

Dolly - drei Mütter, kein Vater

Am 5. Juli 1996 kam das berühmt gewordene geklonte Schaf ,,Dolly" (Abb 4.) auf die Welt.

Abbildung 4: Dolly (aus[5] )

Um sie zu erzeugung wurden einem sechs Jahre altem Schaf Zellen am Euter entnommen und in einer Kultur vermehrt. Danach wurden sie mit dem oben beschriebenem Verfahren in die G0-Phase versetzt und anschließend mit einer vorher entkernten Oozyte eines Spendertieres verschmolzen. Die ersten Furchungsteilungen fanden noch in einer Laborzellkultur statt. Danach wurde der Schafembryo einer Leihmutter eingesetzt, die ihn dann bis zur Geburt austrug (Abb. 5). Die Erfolgsquote war sehr gering. Nur 29 Embryonen entstanden aus 277 Eizellen, die mit der Euterzelle fusioniert wurden. Von diesen Embryonen überlebte nur eines bis zur Geburt: Dolly.

Abbildung 5: Entstehung von Dolly (vereinfacht) (aus[5] )

Vor Dolly nahm man an, dass dif-ferenzierte Zellen nicht mehr in der Lage wären die Entwicklung eines Embryos zu steuern, da beim Dif-ferenzieren das genetische Material verändert, wenn nicht gar teilweise gelöscht wird. Aus welchem Zellzyp genau Dolly geklont wurde und wie man die Differenzierung der Zelle rückgängig machen konnte, gilt es nun herauszufinden.

Mögliche Anwendungen und Gefahren des Klonens

Wie bereits erwähnt wäre es zu aufwändig normale Nutztiere, zum Beispiel eine ertragreiche Milchkuh, zu klonen. Es wäre zu teuer und zu aufwendig, denn die Erfolge mit herkömmlichen Zuchtmethoden sind ausreichend. Eine gute und nützliche Anwendung wäre die ungeschlechtliche Vermehrung transgener Tiere (Abb. 6). Diese Tiere haben zusätzlich zu ihrem Genom ein zusätzliches Gen, zum Beispiel ein menschliches Gen. Dieses Gen führt dazu, dass sie beispielsweise mit ihrer Milch für den Menschen wichtige Enzyme absondern, welches Abbildung 6: Das transgene Schaf Tracy produziert das menschl. Enzym AAT (aus[7] ) man nicht von Bakterien produzieren lassen kann. Die Erzeugung solcher Tiere ist äußerst aufwendig: in einem Fall wurde ein Gen in 1000 Oozyten injiziert und nur vier der Tiere sonderten das gewollte Enzym mit der Milch ab. Durch die moderne Methode des Klonens könnte vielen Menschen, die an einem Gendefekt leiden, geholfen werden.

Eine Gruppe geklonter Lebewesen wäre auch in anderen Forschungsbereichen von großem Nutzten. So könnten Medikamententests mit weniger Tieren durchgeführt werden, da genetische Unterschiede das Ergebnis nicht verfälschen könnten, außerdem könnte man die Auswirkungen von Umwelteinflüssen auf die Entwicklung eines Lebewesens, wie man es zum Beispiel beim Menschen in der Zwillingsforschung betreibt, erforschen. Bei allen diesen positiven Perspektiven für das Gesundheitswesen und die Forschung darf man jedoch nicht außer Acht lassen, dass genetisch identische Tiere, die in großer Menge vorkommen, gegen Naturkatastrophen und Viren äußerst anfällig sind. Große Verluste könnten sich leichter einstellen. Außerdem wird die genetische Vielfalt durch Klone extrem herabgesetzt, noch mehr, als dies durch die herkömmlichen Züchtungsmethoden ohnehin der Fall ist.

Ein zweites mögliches Risiko liegt in den verkürzten Telomeren, da die genetische Mutter bereits sechs Jahre alt war. Telomere sind die Endstücke der Chromosomen, bei jeder Mitose verkürzen sie sich. Man geht davon aus, dass die zunehmende Verkürzung dieser Endstücke den Alterungsprozess eines Lebewesens steuert. Die Frage ist, ob sich die Zellen des Lammes ,,Dolly" wie die Zellen eines Lammes gleichen alters oder wie die Zellen eines sechs Jahre alten Schafes verhalten werden.

Zusammenfassung

Inzwischen sind alle Zweifel an der Korrektheit des Dolly-Versuches ausgeräumt.

Unabhängige Tests haben die Abstammung des Lammes bestätigt. Das Klonen von erwachsenen Säugern ist möglich. Obwohl noch nicht einwandfrei geklärt ist, ob diese Technik auf den Menschen übertragbar wäre, ist dies sehr wahrscheinlich. Im Hinblick auf die möglichen Gefahren für unsere Gesellschaft, die sowohl durch das Klonen von Menschen, aber auch durch die Vervielfältigung anderer Organismen erwachsen können, liegt es nun an den Regierungen, die Forschung in die notwendigen ethischen Schranken zu verweisen. Leider ist Ethik niemals universell: Jedes Land setzt andere Grenzen, so wurden zum Beispiel in Großbritannien die Gesetze zur Einschränkung der Gentechnologie gelockert. Wie weit diese Entwicklung fortschreiten wird, bleibt abzuwarten. In Deutschland ist das Klonen von Menschen noch nicht in Sicht. Wir denken jedoch, dass man nicht alles was neu ist auch als Fortschritt ansehen sollte: Alle Neuentdeckungen müssen von einer kritischen Öffentlichkeit hinterfragt werden, um Missbrauch so gut wie möglich auszuschließen.

Literatur

[1] U. Petzold (1998) Sag' niemals nie: Neues zum Klonen von Säugetieren. BIUZ 4

[2] G. Stiegler (1997) Stichwort: Klonen. Wilhelm Heyne Verlag, München.

[3] Schülerduden Biologie (1994) Dudenverlag Mannheim.

[4] L. Hafner, P. Hoff (1995) Genetik. Schroedel Schulbuchverlag GmbH, Hannover.

[5] www.quarks.de/klonen. Eine Website des WDR

[6] U. Petzold (1998) Klonen und kein Ende BIUZ 6

[7] http://www.nerc.ac.uk/publications/dna/dna.html