Im Vergleich zu Pflanzen ist die gentechnische Veränderung von Tieren zum Teil wesentlich aufwendiger. Dies gilt insbesondere für Säuger, da die Eizelle nicht direkt zugänglich ist und somit Methoden der In-vitro-Fertilisation eingesetzt werden müssen.
Methoden Bei Säugern hat sich in den letzten Jahren die Methodik von der zufälligen Integration von DNA durch Mikroinjektion zur präzisen genetischen Mikrochirurgie (Genome Editing) weiterentwickelt.Laible, G. et al. (2015). "Improving livestock for agriculture - technological progress from random transgenesis to precision genome editing heralds a new era." Biotechnol J 10: 109-120. doi:10.1002/biot.201400193.
Mikroinjektion Die ursprüngliche Methode beinhaltet die Injektion des Gens in die befruchtete Eizelle (Zygote), in deren Genom die injizierte DNA an einer zufälligen Stelle integriert wird. Bei Säugern ist die Methode sehr aufwendig, da die injizierten Eier durch Embryotransfer in Ammen eingebracht werden müssen, um eine normale Entwicklung zu ermöglichen. Diese Technik, die häufig als Mikroinjektion bezeichnet wird, ist bei Mäusen sehr gut etabliert. Bei größeren Säugetieren, wie Schafe, Ziegen, Schweine und Rinder, ist die Technik aufwendig, da ein großes Zuchtprogramm bereitgestellt werden muss, um genügend Eier und Ammentiere zur Verfügung zu haben. Die Mikroinjektion in befruchtete Eizellen ist relativ ineffizient und erlaubt nur die Zugabe eines Gens, dessen Aktivität kaum vorausgesagt werden kann, da der zufällige Ort der Integration im Genom im Wesentlichen die Genaktivität festlegt.
Embryonale Stammzellen Eine gezielte Genveränderung ist bei Säugern möglich, wenn die Genmanipulation in embryonalen Stammzellen durchgeführt wird. Hierbei kann durch homologe Rekombination ortsspezifisch, d. h. an einer definierten Stelle des Genoms, ein Gen eingefügt oder verändert werden. Dieses Verfahren, das recht ineffizient ist, ist durch Genome Editing wesentlich vereinfacht worden. Nach erfolgreicher Genmanipulation der embryonalen Stammzellen, werden diese in Blastocysten integriert. Der sich entwickelnde Embryo ist eine Chimäre, d. h., er enthält neben den normalen Zellen auch transgene Zellen, die bei der Entwicklung des Embryos zufällig in die verschiedenen Gewebe und Organe integriert werden. Es werden dann diejenigen Tiere ausgesucht, in denen die transgenen Zellen an der Ausbildung der Keimbahn beteiligt sind, so dass das Transgen durch die Keimzellen an die folgenden Generationen weitergegeben werden kann.
Somatischer Zellkerntransfer Da es bisher nicht möglich ist, embryonale Stammzellen von Nutztieren zu gewinnen, wird bei diesen Tieren das Klonen verwendet. Hierbei wird der Zellkern aus einer genmanipulierten Zelle mit den gewünschten Eigenschaften entnommen und in die entkernte Eizelle injiziert. Der sich entwickelnde Embryo wird in eine Amme übertragen, um ein transgenes Tier zu erzeugen. Die Methode, die als somatischer Zellkerntransfer, englisch somatic cell nuclear transfer (SCNT), bezeichnet wird, ist relativ ineffizient, da es häufig zu Fehlbildungen kommt. Entscheidend für den Erfolg ist die Zelllinie, die als Kernspender dient. Sie darf keine Veränderungen im Genom haben, die eine normale Entwicklung verunmöglicht. Im Prinzip kann in der Spender Zelllinie auch eine gezielte Genveränderung mit Genome Editing erfolgen. Der Aufwand ist aber sehr groß, da Zellen, die für das Klonen geeignet sind, häufig nur eine geringe Rate an homologer Rekombination aufweisen. Auf Grund der publizierten Daten, die sich auf mehr als 30.000 eingepflanzte Embryonen von Rindern, Schweinen, Ziegen und Schafen abstützt, ergibt sich eine Ausbeute von etwa 1 % genveränderten Tieren.Tan, W. et al. (2016). "Gene targeting, genome editing: from Dolly to editors." Transgenic Res. doi:10.1007/s11248-016-9932-x.
Genome Editing Eine Methode der Wahl ist Genome Editing direkt in der befruchteten Eizelle, da dieser Ansatz eine gute Ausbeute an sich entwickelnden Embryonen (ca. 50 %) aufweist und etwa 10 % bis 40 % der Neugeborenen den gewünschten knock-out tragen.Crispo, M. et al. (2015). "Efficient Generation of Myostatin Knock-Out Sheep Using CRISPR/Cas9 Technology and Microinjection into Zygotes." PLoS ONE 10(8): e0136690. doi:10.1371/journal.pone.0136690. Offensichtlich ist das Genom Editing in der Eizelle so effizient, dass häufig beide Allele mutiert sind. Genome Editing erlaubt es, eine erwünschte Mutation, die in einer bestimmten Tierrasse vorkommt, in eine andere Tierrasse einzuführen. Damit ist es möglich, eine neue Tierrasse herzustellen, die nur die erwünschte Mutation enthält. Somit wird der Genpool der betreffenden Tierspezies nicht verändert. Im Prinzip kann ein entsprechendes Tier auch durch Züchtung erhalten werden. Dieses Verfahren ist aber sehr aufwendig, da es über viele Generationen erfolgen muss. Zudem wird man stets in der neu etablierten Rasse noch andere Gene haben, die unter Umständen unerwünscht sind. In den letzten fünf Jahren, nachdem die Methode des Genome Editing entwickelt wurden, sind bereits mehr als 300 Experimente bei Rindern, Schweinen, Schafen und Ziegen erfolgreich durchgeführt worden.
Es werden drei unterschiedliche Verfahren entwickelt, um mit hoher Effizienz genetische Veränderungen mit Genome Editing in Nutztiere einzubringen.McFarlane, G. R. et al. (2019). "On-Farm Livestock Genome Editing Using Cutting Edge Reproductive Technologies." Frontiers in Sustainable Food Systems 3. doi:10.3389/fsufs.2019.00106. Elektroporation der Zygote Mit der Methode der Elektroporation werden durch kurze Stromstöße die Reagenzien für das Genome Editing in die Zygote, die befruchtete Eizelle, eingebracht. Der Embryo wird anschließend im 1- oder 2-Zell-Stadium in den Eileiter von pseudoträchtigen Ammenmäusen transferiert, die diesen austragen. Dieses Verfahren ist wesentlich einfacher als die Mikroinjektion und der somatische Zellkerntransfer.
Transduktion mit adeno-assortierten Viren Die Genkonstrukte, die in die Zygote eingebracht werden sollen, werden in die DNA adeno-assoziierter Viren eingebracht. Mit diesen rekombinanten Viren wird die Zygote infiziert, die dann genau gleich wie nach Elektroporation als Blastocyste in das Muttertier übertragen wird. Dieser Ansatz ist bisher mit großem Erfolg bei Mäusen eingesetzt worden,Yoon, Y. et al. (2018). "Streamlined ex vivo and in vivo genome editing in mouse embryos using recombinant adeno-associated viruses." Nat Commun 9(1): 412. doi:10.1038/s41467-017-02706-7 eine Anwendung bei Nutztieren steht aber noch aus.
Surrogate Sire Technologie Bei der Surrogate Sire (Ersatzvater) Technologie werden männliche Tiere eingesetzt, die keine Spermien produzieren können, da sie keine spermatogoniale Stammzellen besitzen. Diese unfruchtbaren Vatertiere werden durch Einbringen spermatogonialer Stammzellen in den Hoden zu fruchtbaren Tieren verwandelt. Da sich die spermatogonalen Stammzellen mit Genome Editing verändern lassen, können Tiere mit den gewünschten genetischen Eigenschaften etabliert werden. Dieser neue Ansatz war aber bisher nur bei Mäusen erfolgreich.
Labor- und Versuchstiere Für die Grundlagenforschung sind genveränderte Tiere ein wichtiger Ansatz um die Funktionsweise der verschiedenen Gene im gesamten Organismus zu erfassen. Diese Versuchstiere, insbesondere Mäuse, dienen aber auch dazu, die Methoden der Genveränderung zu entwickeln und zu optimieren. Ein Beispiel sind Knockout-Mäuse.
Heimtiere Heimtiere werden vom Menschen in der Regel zur Freude, Zierde oder als Gefährten gehalten. Die Gentechnik erlaubt diese Tiere, die häufig durch Domestikation an den Menschen angepasst wurden, zusätzlich nach den Wünschen des Menschen zu verändern.
Fluoreszierender Zebrabärbling Unter dem Markennamen „GloFish“ sind grün fluoreszierende Fischarten für Aquarienliebhaber in den USA vertrieben worden.Knight, J. (2003). "GloFish casts light on murky policing of transgenic animals." Nature 426(6965): 372. doi:10.1038/426372b. In der Europäischen Union sind diese genveränderten Fische nicht zugelassen.
Zwergschwein Das chinesische Forschungsinstitut BGI hat durch Genome Editing mit der „Transcription Activator-like Effector Nuclease“ das Gen für den Rezeptor des Wachstumshormons in der Minischwein-Rasse Bama inaktiviert. Diese genveränderten Schweine werden nur 15 kg anstelle von normalerweise 35 bis 50 kg schwer und waren zunächst als Versuchstiere geplant, die eine kostengünstige Infrastruktur erlauben. Sie wurden dann auch als Haustiere angeboten.Cyranoski, D. (2015). "Gene-edited 'micropigs' to be sold as pets at Chinese institute." Nature 526(7571): 18. doi:10.1038/nature.2015.18448.
Nutztiere Der Mensch hält seit Jahrtausenden Nutztiere, wobei er gezielte Tiere gezüchtet hat, die für seine Bedürfnissen besonders geeignet sind. Da die Züchtung von Nutztieren sehr aufwendig ist, erhofft man, durch Einsatz der Gentechnik gezielt neue Rassen zu erhalten, die für den Menschen von Nutzen sind. Hierbei werden entweder artfremde Gene (Transgene) eingesetzt oder durch Genome Editing gezielte Genveränderungen eingefügt.Tait-Burkard, C. et al. (2018). "Livestock 2.0 - genome editing for fitter, healthier, and more productive farmed animals." Genome Biol 19(1): 204. doi:10.1186/s13059-018-1583-1
Erhöhte Produktivität und verringerte Umweltbelastung Schnell wachsender Lachs Ein gentechnisch veränderter Lachs ist im November 2015 in den USA durch das FDA als erstes Lebensmittel zugelassen worden.Ledford, H. (2015). "Salmon approval heralds rethink of transgenic animals." Nature 527(7579): 417-418. doi:10.1038/527417a. Dieser genveränderte Lachs (AquAdvantage salmon) enthält ein zusätzliches Wachstumshormon, so dass er schon nach 18 Monaten und nicht erst nach 3 Jahren schlachtreif ist. Um ein Auskreuzen mit Wildformen des Lachs auszuschließen, werden nur triploide weibliche Tiere aufgezogen, die steril sind. Zusätzlich wird die Aufzucht an Land durchgeführt, wobei das Entweichen ins Meer durch mehrere Barrieren verhindert werden soll.Waltz, E. (2016). "GM salmon declared fit for dinner plates." Nat Biotechnol 34(1): 7-9. doi:10.1038/nbt0116-7a.
Ein US-Berufungsgericht hat die FDA-Zulassung des kanadischen Produkts im Januar 2016 widerrufen, solange bis eine gesetzliche Regelung zur Kennzeichnung des Produkts für den Verbraucher erfolgt ist. Gen-ethischer Informationsdienst, 234, Februar 2016, S. 29 – 30, mit Verweisen auf die Gegner des Projekts
Im Jahr 2017 sind in Kanada 4,5 Tonnen gentechnisch veränderter Lachs frei verkauft worden. Dies ist das erste und bisher einzige Beispiel eines gentechnisch veränderten Nutztiers, das für den menschlichen Konsum freigegeben wurde.Waltz, E. (2017). "First genetically engineered salmon sold in Canada." Nature 548(7666): 148. doi:10.1038/nature.2017.22116
Schweine mit rascherem Wachstum und geringerer Umweltbelastung