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.

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 (bs13-2.htm) 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.

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.

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.

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.

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.

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.