Klonierung, monoklonale Antikörper, reproduktives Klonen

1.6 Gentechnologie
IV
Klonierung, monoklonale
Antikörper, reproduktives Klonen

Klonierung

Ein Klon ist eine Gruppe
genetisch identischer, also erbgleicher Organismen. Klone entstehen auf
einfachste Weise durch Zweiteilung, auch vegetative Vermehrung genannt.
Es ist der Vermehrungsmechanismus aller
Bakterien, aber auch höherer Mikroorganismen, wie Hefen und Pilzen
und sogar vieler Arten mehrzelliger Tiere
. Viele höhere Pflanzen
vermehren sich durch Knospen oder Sprossung, indem auf der Stamm- oder
Blattoberfläche eine Knospe entsteht, durch Zellteilung wächst,
schließlich abfällt und zu einem neuen Individuum (einem Klon)
wird.

seeanem - Klonierung, monoklonale Antikörper, reproduktives Klonen

Bei Nesseltieren
(= Cnidaria: Quallen, Seeanemonen, Korallen, Polypen usw. ) ist die asexuelle
Fortpflanzung in Form von Knospung und Splitting eine häufig vorkommenede
Fortpflanzungsart, die zur Koloniebildung führt.

Normalerweise kennt man dies nur von Pflanzen. Wie schon
oben erwähnt, findet man bei Tieren asexuelle Fortpflanzung in Form von
Parthenogenese oder Polyembryonie.
Bei der Polyembryonie (z.B. Würmer, Insekten und bestimmte Säugetiere)
teilt sich die Zygote in bis zu tausende Zellen (z.B. bei parasitischen
Wespen). Daraus werden dann genetisch identische Wespen. Beim Gürteltier
entstehen immer im Frühjahr bis zu 12 Klone aus einer befruchteten
Eizelle. Beim neunbändigen Gürteltier (Südstaaten, USA
werden immer 4 Embryos aus einer befruchteten Eizelle ausgebildet. Dabei
wandert eine einzige Morula vom
Einleiter zum Uterus aus der sich eine Blastozyste
entwickelt, die vor der Einnistung Monate im selben Stadium verharrt.
Nach der Einnistung bilden sich 4 Amnionsäcke aus.

Klone sind also in der Natur weit verbreitet. Auch in
der Biologie wird schon länger mit Klonen und klonierten Produkten
gearbeitet. Ein Meilenstein der Immunologie war die Entwicklung sog. monoklonaler
Antikörper
1975 durch Georges J.F. Köhler
und César Milstein. Sie erhielten
1984 dafür den Nobelpreis in Medizin.

mkantik - Klonierung, monoklonale Antikörper, reproduktives Klonen

Eine weitere Entwicklung der modernen Monoklonalen-Antikörper-Technologie
ist die Entwicklung katalytischer Antikörper oder Abzyme.
Dies verbessert das Verständnis enzymatischer Reaktionen und ist
ein Schritt auf dem Weg zu synthetischen Enzymen.

Unter Klonierung
versteht man also die Produktion genetisch identischer Tiere oder Pflanzen
oder die Produktion identischer Partikel und Moleküle wie Antikörper
oder DNA.

Dabei werden 3 Techniken unterschieden:

1. Rekombinante DNA-Technologie oder DNA-Klonierung

Die Begriffe “rekombinante DNA Technologie,”
“DNA-Klonierung,” oder “molekulares Klonen,”bzw.”Gen
Klonierung” meinen alle denselben Prozess: Der Transfer eines bestimmten
DNA-Fragments in ein selbstreplizierendes genetisches Element wie ein
Plasmid. Dadurch kann dann die gewünschte DNA in eine fremde Empfängerzelle
intgriert werden. Diese Technik wurde oben besprochen worden.

clone9 - Klonierung, monoklonale Antikörper, reproduktives Klonen

2. Reproduktives Klonen:

Definition: Erzeugung
neuer Organismen aus einer einzigen Zelle des erwachsenen Organismus.
Die Gene des Kerns (nicht der Mitochondrien-DNA) der Nachkommen sind dann
identisch mit den Eltern.

Mit Hilfe des Somatischen Zellkern-Transfers (Englisch:
“somatic cell nuclear transfer” = SCNT),
kann man das genetische Material (diploid) des Zellkerns einer erwachsenen
Spenderzelle in eine entkernte Eizelle übertragen. (Einige Forscher
übertragen zum Klonen ausschließlich den Zellkern, andere zusätzlich
das umgebende Zellplasma.) Die so künstlich erzeugte diploide Eizelle,
muß nun mit Chemikalien oder durch elektrische Stimulation zur Zellteilung
angeregt werden. Der mehrzellige Zellhaufen wird dann (entsprechend der
Blastozyste) in den Uterus eines weiblichen Wirtstieres zur weiteren Entwicklung
eines Embryos bis zur Geburt eingepflanzt.

clone6 - Klonierung, monoklonale Antikörper, reproduktives Klonen

Bereits in den 80er und 90er Jahren waren derartige Experimente
mit Kernen embryonaler Zellen erfolgreich durchgeführt worden. Die
Geburt des Schafs Dolly im Jahr
1997 erschütterte eine fest gefügte Theorie: Vorher war die
Wissenschaft davon ausgegangen, dass die Zellkerne ausdifferenzierter
Körperzellen nicht mehr für die Bildung eines gesamten Individuums
„reprogrammiert“ werden können. Auch wenn die technische
Umsetzbarkeit dieses Verfahrens inzwischen an Rind, Ziege, Maus und Schwein
bestätigt worden ist, ist Klonen durch Kerntransfer bislang wenig
effizient: Dolly beispielsweise war das einzige lebensfähige Tier
aus 277 behandelten Eizellen. Als Folge des Verfahrens wird eine hohe
Rate an Fehlgeburten ebenso beobachtet wie erhöhte Sterblichkeit
aufgrund von Entwicklungsstörungen, Erkrankungen und Organmissbildungen
der so erzeugten, lebensfähigen Tiere.

Je nachdem, ob nur der Kern oder auch das Plasma samt
Zellorganelle übertragen wurden sind Tiere, die durch die SCNT-Methode
erzeugt worden sind nicht 100% identische Klone des Spendertieres. Wird
nur der Kern übertragen, wie bei Dolly stammen die Mitochondrien
von der Empfängerzelle. Da diese ebenfalls DNA enthalten und für
die Energieversorgung zusammen mit dem Kern zuständig sind, können
Mutationen im mitochondrialen Genom der Empfängerzelle vererbt werden,
die mit Alterungsprozessen – und Krankheiten in Zusammenhang stehen.

Der zum Klonen notwendige Kerntransfer
wurde allerdings schon seit Mitte des 20. Jahrhunderts erforscht. Schon
1938 hatte Hans Speemann (1869-1941)
mit rudimentärten Kerntransfertechniken bei Froscheiern experimentiert.
Robert Briggs und
Thomas King
, veröffentlichten 1952 ihre Ergebnisse zum erfolgreichen
Kerntransfer mit der nordamerikanischen Froschart Rana pipiens. King isolierte
eine einzige Zelle aus dem Blastocystenstadium und entwickelte die auch
heute noch verwendete Methode.

Heute ist der afrikanische Krallenfrosch Xenopus
laevis
immer noch ein weit verbreiteter Modellorganismus für
die Embryonalentwicklung bei Wirbeltieren. Die Forschung wird erleichert
durch eine häufige und leicht zu stimuliende Eiablage der Weibchen,
großen Embryonen (ca. 1mm Durchmesser) und schnelle Entwicklungszeiten
was die Manipulation durch Mikroinjektion, Gewebetransplantation erleichtert.
1962 behauptete der Biologe John Gurdon von der Oxford University (GB),
daß er aus voll differenzierten, adulten Eingeweidezellen Klone
des Südafrikanischen Krallenfrosches erzeugt hatte. Dies wurde jedoch
nie 100%ig nachgewiesen.

Inzwischen ist es gelungen, Gene und deren Produkte beim
Krallenfrosch zu klonen wie z.B. den Vitamin D3-Rezeptor (VDR), der die
Regulation des Calzium-Stoffwechsel ermöglicht.

rclone - Klonierung, monoklonale Antikörper, reproduktives Klonen

Der Hauptgrund für die reproduktive Klonierung von
Tieren wie Schafen war der Wunsch, in der Milch dieser Tiere Medikamente
herzustellen. Die Wissenschaftler transferierten menschliche Gene in Schafe
und Kühe, die nützliche Proteine wie Blutgerinnungsfaktoren
( IX) zu bilden, um Hämophilie zu behandeln oder Alpha-1-Antitrypsin
gegen Cystische Fibrose. Das Studium geklonter Tiere verbessert das Verständnis
der Embryonalentwicklung und von Altersprozessen samt deren Krankheiten.
Geklonte Mäuse z.B. werden eher fettleibig mit Symptomen wie erhöhtem
Plasmainsulin- und Leptinspiegel. Ihre Nachkommen sind dagegen normal.

Reproduktives Klonen wird aber auch als eine Methode
angesehen, bedrohte Tierarten vor dem Aussterben zu retten.

gklont - Klonierung, monoklonale Antikörper, reproduktives Klonen

Abb. 195 zeigt ein Schema,
wie ein genetisch wertvolles Tier (Kernspender) geklont werden kann. Bei
diesem Beispiel wird ein Weibchen derselben Art als Oozytenlieferant herangezogen,
um die Probleme der mitochondrialen Heteroplasmie zu umgehen. Das Schema
zeigt auch, daß ein geklonter Nachkomme zwar phenotypische Abweichungen
haben kann, diese aber nicht notwendigerweise in einer nachfolgenden natürlich
erzeugten Generation auftreten müssen.

 


Abb. 187
 

Klonbildung
bei Seeanemonen
(Entacmaea quadricolor)

 


Abb. 188
 

Nesseltiere

 

cnidariak - Klonierung, monoklonale Antikörper, reproduktives Klonen

Lebenszyklus eines Polyps
(bitte Anklicken)

Eine Kolonie besteht aus verschiedenen genetisch
identischen Polypen (Klone). Wenn die Planulalarve sich am Grund
festgestzt hat, wachsen die ersten Individuen aus und beginnen mit
den Tentakeln Nahrung aufzunehmen. Die Kolonie wächst, wenn
neue Polypen ausknospen. Polypen innerhalb der Kolonie können
unterschiedliche Aufgaben haben. Sich fortplanzende Polypen bilden
freischwimmende weibliche oder männliche Quallen.

 


Abb. 189
 

neunbändiges
Gürteltier
( Dasypus novemcinctus)

 

armadil - Klonierung, monoklonale Antikörper, reproduktives Klonen

Südlicher Teil Nordamerika, Südamerika

amniong - Klonierung, monoklonale Antikörper, reproduktives Klonen

Morula = Mehrzellstadium der Zygote nach einigen
Tagen (z.B. 16 Zellen)

Blastocyste = frühes Embryostadium, das sich
aus der Morula vor der Einnistung in die Uterusschleimhaut bildet

Amnion= innere Eihaut als Teil der Fruchthülle
= Fruchtblase

 


Abb. 190
 

monoklonale
Antikörper

 

Ein Kaninchen z.B. wird durch ein beliebiges Antigen immunisiert,
um die Produktion der Antikörper dagegen anzuregen. Die Antiköper-produzierenden
Zellen werden aus der Milz der Maus gewonnen. Nun werden die B-Lymphozyten
der Maus mit Tumorzellen (Myelomazellen) der Maus, die in einer
Gewebekultur gewachsen sind durch somatische Zellhybridisierung
fusioniert. Die entstehenden Hybridzellen nennt man Hybridomas.
Sie produzieren sowohl große Mengen identischer Antikörper
als auch wachsen sie unbegrenzt. Durch Kultivierung entsteht einen
riesige Anzahl Zellen, die diese identischen Antikörper produzieren.

 


Abb. 191
 

Zweiteilung
bei Nitrosomonas

 

nitros8 - Klonierung, monoklonale Antikörper, reproduktives Klonen

 


Abb. 192
 

DNA-Klonierung

 

librk - Klonierung, monoklonale Antikörper, reproduktives Klonen

Genbibliothek
(Anklicken zum Vergrößern)

Eine Genombibliothekenthält das komplette genom
eines Organismus in Form von DNA-Fragmenten, die die entsprechenden
gene repräsentieren. Innerhalb der Bioinformatik werden Copmputer
verwendet, um die genetischen Daten zu speichern und zu analysieren.

Eine cDNA-Bibliothek ist eine Genbibliothek aus DNA-Klonen, die
mit Reverser Transcriptase aus mRNA-Molekülen eines Organismus
gewonnen wurden.
Der Vorteil eines cDNA Klon ist, daß er durch Integration
in ein Bakterium in ein funktionelles Protein umgewandelt werden
kann.

 


Abb. 193
 

Methoden
der Klonierung

 

 

Das KlonschafDolly wurde durch eine tödliche Injektion am
14.02.2003 von seinen Leiden: Lungenkrebs und fortschreitende Arthritis
erlöst.

Zum Prozess der Klonierung von Rindern gibt es mdh11 - Klonierung, monoklonale Antikörper, reproduktives Klonen
.

klon7 - Klonierung, monoklonale Antikörper, reproduktives Klonen

 


Abb. 194
 

reproduktives
Klonen bei Fröschen

 


rbriggs - Klonierung, monoklonale Antikörper, reproduktives KlonenRobert Briggs (1911-1983)ranapipiens - Klonierung, monoklonale Antikörper, reproduktives Klonen
nkt - Klonierung, monoklonale Antikörper, reproduktives Klonenxenopus - Klonierung, monoklonale Antikörper, reproduktives Klonen 

 

 

 

 

 


Abb. 195
 

Reproduktives
Klonen bei Wildtieren

 

 
Verschiedene Versuche der Klonierung wurden bei Wildrindern z.B.
dem Gaur (Bos gauru, einem Wildrind in Indien, Indochina und der
Malaysischen Halbinsel ), ausgeführtgaur - Klonierung, monoklonale Antikörper, reproduktives KlonenDasselbe probierte man beim dem Banteng (Bos javanicus) in Südostasienbanteng - Klonierung, monoklonale Antikörper, reproduktives Klonenund dem iberischen Steinbock Bucardo (Capra pyrenaica pyrenaica).bucardo - Klonierung, monoklonale Antikörper, reproduktives Klonen

Im Unterschied zu der in Abb. 194 geschilderten Methode hat man
hier trans-spezifisches Klonen verwendet. Hier wurde das Oozyten-Cytoplasma
aus domestizierten Spezies (Bos taurus (Kuh) oder Capra hircus
(Ziege) verwendet und der Zellkern aus der entsprechenden Tierart.

 

 

Hat dir dieser Artikel geholfen?