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Nobelpreise 2007

Kooperativer Genausfall-Einfall

Den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin erhalten in diesem Jahr drei Genforscher. Mario Capecchi, Martin Evans und Oliver Smithies haben mit ihren bahnbrechenden Experimenten zur DNA-Rekombination und Stammzellforschung die Grundlagen für ein mittlerweile unverzichtbares Instrument forschender Biologen und Mediziner gelegt: die Knockout-Organismen.
Nobelpreis für die Knockout-Maus
Auch durchaus preiswürdige Ideen führen manchmal zu nichts Handfestem – die heute mit dem Nobelpreis für Physiologie oder Medizin geehrten Gedanken gehören nicht dazu. Vielmehr werden die lebendigen Früchte der gekürten Arbeit mittlerweile in fast jeder Universität zwischen Kapstadt, Bangalore und Baltimore in unzähligen Laboren gehegt, gepflegt und gefüttert: die Knockout-Maus oder eine ihrer Verwandten. Am Entstehen dieser für forschende Biologie und Medizin unverzichtbaren Organismen haben wie üblich viele mitgewirkt, ausgezeichnet wurden nun die Bemühungen des US-Amerikaners Mario Capecchi und der beiden Briten Oliver Smithies und Sir Martin Evans.

Knockout-Organismen sind absichtlich geschaffene Mangelwesen: Ihrem und dem Chromosomensatz ihrer Nachkommen fehlt ein ganz bestimmter Erbgutabschnitt, den Forscher zuvor gezielt ausgeschaltet haben, um dann die Folgen dieses Ausfalls beobachten zu können und damit Rückschlüsse auf Bedeutung und Arbeitsweise des Gens zu ziehen. Die Erkenntnisse, die mit Maus und Co und ihren ausgeknipsten DNA-Abschnitten gewonnen wurden, füllen mittlerweile zahlreiche Bände. Sie haben die Entwicklung vieler Medikamente gegen eine große Zahl von Krankheiten denkbar gemacht.

Mario Capecchi und Oliver Smithies
Nobelpreisträger Mario Capecchi und Oliver Smithies | Mario Capecchi (links) und Oliver Smithies (rechts) sind gemeinsam mit Martin Evans Nobelpreisträger für Physiologie oder Medizin 2007. Capecchi, 1937 in Italien geboren, arbeitet an der Universität von Utah. Der Brite Smithies, Jahrgang 1925, forscht an der Universität von North Carolina.
Vor dreißig Jahren war das noch kühne Vision. Geträumt davon hatten auch damals schon manche, zwei Haupthindernisse stellten sich der Verwirklichung aber entgegen und ließen sie als schwer machbar, ja unmöglich erscheinen. An Problem Nummer Eins arbeiteten in den späten 1970er Jahren Capecchi und Smithies: Wie, so die Ausgangsfrage der Forscher, kann ein bestimmter Erbgutabschnitt in lebenden Zellen ohne massive Eingriffe durch einen anderen ausgetauscht werden?

Capecchi ging das Problem zunächst rustikal an: Er radikalisierte frühere Methoden der versuchten Chromosomenmanipulation, indem er schlicht per Glaspipette defekten Zellen, denen ein bestimmtes Enzym-Gen fehlte, DNA-Abschnitte mit der funktionieren Genvariante injizierte. Tatsächlich bauten relativ viele der so behandelten Zellen die eingeführte Variante in ihre Chromosomen ein – und übertrugen sie nach einer Teilung demnach auch an ihre Tochterzellen.

Homologe Rekombination
Homologe Rekombination | Die homologe Rekombination erlaubt den Genaustausch zwischen Erbgutabschnitten auf Chromosomen und Sequenzen von in die Zelle injizierten DNA-Abschnitten. Lange bekannt ist der Mechanismus in der Meiose, also bei der Entstehung von Keimzellen von eukaryontischen Organismen. Die bei diesem Vorgang beteiligten Enzyme können prinzipiell aber jedes Paar homologer Sequenzen als Substrat erkennen. In der Biotechnologie wird der Vorgang der homologen Rekombination genutzt, um zelluläre Gene durch Kopien zu ersetzen, in die zum Beispiel Mutationen oder neue Genabschnitte (im Bild als Beispiel "neor") eingebaut wurden. Schleust man solche DNA-Fragmente (im Bild: "Vector") in Zellen ein, so werden sie genau an der Stelle ins Genom integriert, an der sich zuvor das zelluläre Gen befand (im Bild "target gene", daher die Bezeichnung Gene Targeting). Wird dadurch ein funktionierendes Gen gezielt ausgeschaltet, spricht man von Knockout. Je nach Funktion des betroffenen Gens wird ein solcher Effekt jedoch erst im Gesamtorganismus phänotypisch erkennbar. Um Zellen mit erfolgreich verlaufender Rekombination zu selektionieren, kann das Gen beispielsweise durch Integration eines Markergens (Marker) funktionsunfähig gemacht werden. Vor allem an Mäusen wurde das Prinzip der homologen Rekombination häufig und mit Erfolg eingesetzt, um Gene auszuschalten (Knockout-Mäuse). Auch in der somatischen Gentherapie wird die homologe Rekombination eingesetzt, wobei man hier das Ziel verfolgt, bei Kranken veränderte, mutierte Gene durch homologe Rekombination mit nicht mutierten Genen zu ersetzen.
Der 1937 in Italien geborene und heute in den USA an der Universität von Utah forschende Capecchi hatte nun eine Versuchsreihe vor Augen, um zu beweisen, dass der gezielte Genaustausch auch in den Zellen von Säugern über den Mechanismus der homologen Rekombination erfolgt, für deren Entdeckung in Bakterien der US-Amerikaner Joshua Lederberg 1958 den Nobelpreis erhalten hatte. Bei dieser Rekombination lagern sich sequenzgleiche, also homologe DNA-Abschnitte eng aneinander und tauschen dann manchmal ihren Platz – ein von außen zugegebener Erbgut-Schnipsel kann so gelegentlich in das Chromosom eingebaut werden und das dort liegende Gen ersetzen.

Zeitgleich mit Capecchi auf dieselbe Idee war auf der anderen Seite des Atlantiks der Brite Smithies gekommen – beide stellte Anträge auf Forschungsfinanzierung, beide wurden zunächst, Stichwort kühne Vision, von den zuständigen Behörden abgewiesen. Beide machten aber unverdrossen weiter und belegten schließlich mit einer Reihe von Versuchen, dass die homologe Rekombination auch in Zellen höherer Lebewesen tatsächlich funktioniert: Im Jahr 1986 erbrachte Capecchi mit einer Publikation in Cell den Nachweis, ein defektes Gen für Antibiotikaresistenz in Säugerzellen per homologer Rekombination durch eine andere Version ersetzen zu können [1]. Wenige Monate zuvor hatte der heute an der Universität von North Carolina beschäftigte Smithies in Nature belegen können, dass kurze ringförmige DNA-Moleküle mit passenden Sequenzen sich punktgenau in das Erbgut menschlicher Zelllinien einbauen und dort homologe Gensequenzen verdrängen [2].

Nobelpreisträger Sir Martin Evans
Nobelpreisträger Sir Martin Evans | Sir Martin Evans, 2004 zum Ritter geschlagen, erhielt nun drei Jahre später den Nobelpreis für Medizin zusammen mit zwei Kollegen. Der Brite wurde 1941 geboren und arbeitet an der Universität von Cardiff in Wales.
Damit war Ende der 1980er Jahre aber nur eine der zwei grundlegenden Schwierigkeiten auf dem Weg zu Knockout-Nager und Co ausgeräumt. Zwar konnten nun Gene in Zellen mit Ersatzsequenzen ausgetauscht werden – wie aber können ganze lebende, fortpflanzungsfähige Organismen produziert werden, die die ausgetauschten Erbgutvarianten auch an ihre Nachkommen weitergeben? Wie lassen sich also die Gene in Zellen der Keimbahn austauschen, die dann Geschlechtszellen produzieren und so letztlich genmodifizierten Nachwuchs entstehen lassen? Auf der Suche nach Antworten wanden sich Capecchi und Smithies Mitte der 1980er Jahre mit gutem Riecher an Sir Martin Evans.

Homologe Rekombination in embryonalen Stammzellen
Homologe Rekombination in embryonalen Stammzellen | Der frischgebackene Nobelpreisträger Mario Capecchi ersetzte in seinem Grundlagenversuch erfolgreich ein ausgefallenes Gen für Antibiotikaresistenz per homologer Rekombination durch ein funktionierendes Gegenstück (neor, Schritt 1 bis 3). In zunächst einer von tausend Zellen gelang der Austausch bei den klassischen Versuchen – eine sehr hohe, für weitere Versuche völlig ausreichende Austauschfrequenz. Embryonale Stammzellen (entdeckt vom Laureaten Sir Martin Evans), die die Gene aufgenommen haben, könnten zum Beispiel anhand ihrer Resistenz gegen Antibiotika selektiert werden (Schritt 4) – nur der erste Schritt zur Produktion einer genveränderten Maus …
Der heute 66-Jährige und an der Universität von Cardiff forschende Brite gilt als Entdecker der embryonalen Stammzellen und ist für diese und andere Leistungen schon 2004 zum Ritter geschlagen worden. Sir Martin hatte zunächst mit Krebszelllinien von Mäuseembryonen gearbeitet, welche die damals verblüffende Eigenschaft aufwiesen, sich in Kultur nahezu in alle Gewebezelltypen verwandeln zu können. Das funktionierte offensichtlich auch im lebenden Organismus: Schon früh hatte Evans die zart-jugendlichen Karzinomzellen in Blastozysten injiziert, also sehr frühe Mausembryonen – und entdeckt, dass die daraus entstehenden Tiere in nahezu allen Geweben mosaikartig auch Abkömmlinge der injizierten Karzinomzellen mit ihren abnormen Chromosomen enthielten. Sie hatten sich offenbar erfolgreich in den Entwicklungsprozess des Embryos eingeklinkt [3].

Neugierig geworden, untersuchte Evans nun auch die Blastozysten und erkannte in ihnen eine Gruppe von Zellen, die ebenso totipotent wie die embryonalen Krebszellen waren, ohne aber deren entarteten Charakter zu zeigen – eben die embryonalen Stammzellen. Schon bald gelang es Evans, diese Stammzellen genetisch zu verändern, indem er mit Hilfe von Viren kurze DNA-Abschnitte in sie hineinschleuste, um so genveränderte Mäuse zu erzeugen. Diese Methode war der gerade von Capecchi und Smithies entwickelten homologen Rekombinationstechnik allerdings unterlegen.

Gene Targeting: Von der Stammzelle zur Knockout-Maus
Gene Targeting: Von der Stammzelle zur Knockout-Maus | Injiziert man per homologer Rekombination genveränderte und selektierte Zellen in Blastozysten und implantiert sie in die Gebärmutter von Mäusen (Schritt 5), dann gebiert das Muttertier seinerseits fortpflanzungsfähigen Mosaikmaus-Nachwuchs – er trägt teilweise Zellen mit verändertem Erbgut. Daraus können dann erbgutreine Knockout-Mäuse gekreuzt werden (6).
So entschlossen sich die heutigen Nobelpreisträger 1986 zur Kombination ihrer Forschungsansätze – der leistungsfähigen Methodik des gezielten Genaustausch sowie dem hervorragenden zellulären Vehikel, einzelne veränderbare Keimzellen zu einem genetisch modifizierten Gesamtorganismus zu machen. Das Ergebnis ist Legende: Die ersten Erfolge ließen nur rund drei Jahre auf sich warten, als gleich mehrere Arbeitsgruppen, die rechtzeitig auf den fahrenden Zug aufgesprungen waren, die allerersten Knockout-Mäuse präsentierten.

Seitdem steigt die Zahl der so entstandenen Mausformen exponentiell an: Die Funktion von mehreren tausend der etwa 22 400 Gene von Maus oder Mensch sind bereits in einem Knockout-Modell untersucht worden, viele mehr mit der grundlegend verwandten Methode des "Knock-In", bei der nicht gezielt Gene ausgeschaltet, sondern stattdessen inaktive, bekanntermaßen krankheitsauslösende Gene eingeschaltet werden. Das gezielte "Gene-targeting" – nur möglich mit den Resultaten der frischgebackenen Nobelpreisträger – hat Physiologie und Medizin revolutionär verändert, schließt das Nobelpreiskomitee denn auch zur Begründung ihrer Wahl.
09.10.2007

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 09.10.2007

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