11. Apr 2019

Gene Drive in Mäusen – erfolgreich bei Weibchen

Ein Gene Drive funktioniert erstmals auch bei Mäusen, allerdings nur in der weiblichen Keimbahn. Die Effizienz ist gering, so dass eine Anwendung vorerst auf die Forschung beschränkt bleibt.

Ein Gene Drive kann die Fellfarbe bei Mäusen beeinflussen. Quelle: Grunwald et al. / UC San Diego

Bei Insekten ist ein Gene Drive effizienter als die natürliche Vererbung, ein beliebiges Merkmal kann sich so rasch in großen Populationen ausbreiten. Bei Säugetieren wollte dies bislang aber noch nicht gelingen. Forscher aus dem kalifornischen La Jolla haben jetzt gezeigt, dass ein Gene Drive grundsätzlich auch bei Mäusen funktioniert – allerdings nur mit bedeutenden Einschränkungen.

Eigentlich interessiert sich Kimberly Cooper für die Evolution von Springmäusen. Die Entwicklung der kräftigen Hinterbeine dieser kleinen Nager wird vermutlich nur von einer Handvoll Genen gesteuert, aber Coopers Arbeitsgruppe kamen mit den Studien nur schwer voran. Und so suchte sie Unterstützung bei dem Institutskollegen Ethan Bier, dessen Gruppe sich bereits länger mit Gene Drives bei Insekten beschäftigte. Das langfristige Ziel könnte man so umschreiben: Ein Gene Drive, der gewöhnlichen Labormäusen zu großen Sprüngen verhilft.

Weiße, schwarze und graue Mäuse

Für den Einstieg wählten die Forscher allerdings ein einfacheres Ziel – die Färbung des Fells. Die wird von dem Farbstoff Melanin beeinflusst, der wiederum mit Hilfe des Enzyms Tyrosinase erzeugt wird. Je nach Enzymvariante ist das Fell schwarz oder grau; fehlt die Tyrosinase ganz, kommen die Mäuse als Albinos zur Welt.

Um die Fellfarbe zu verändern, konstruierten die Forscher ein genetisches Element mit der Bezeichnung CopyCat. Dieses Element wird in das Erbgut eingeschleust und ersetzt dort die natürliche Tyrosinase mit einer mutierten Variante. Es enthält auch ein RNA-Molekül, das die gezielte und aktive Verbreitung von CopyCat steuern soll. Was in diesem Konstrukt jedoch fehlt, ist die Genschere Cas9 (meist etwas irreführend CRISPR genannt). Streng genommen hatten die Forscher also gar keinen Gene Drive erzeugt, sondern nur eine Hälfte davon.

Die Genschere Cas9 kam erst im nächsten Schritt mit ins Spiel: Die CopyCat-Mäuse wurden mit Mausstämmen gekreuzt, die Cas9 bereits fest in ihrem Erbgut integriert hatten. Dies geschah zum Einen aus Sicherheitsbedenken, denn die Aufteilung in zwei unabhängige Komponenten macht es sehr unwahrscheinlich, dass ein Gene Drive sich unkontrolliert in der Umwelt ausbreitet. Aber die Aufteilung eröffnete auch die Möglichkeit, das CopyCat-Element unter unterschiedlichen Bedingungen zu testen – die Forscher mussten es dazu nur in unterschiedliche Mausstämme einkreuzen. Insgesamt acht Varianten wurden so getestet.

Nur in Weibchen die richtige Reparatur

Eine große Auswahl an Varianten erwies sich auch als bitter nötig, denn in den meisten blieb der Erfolg aus. Wenn etwa die Genschere im ganzen Mausembryo angeschaltet wurde, war die Fehlerrate beim Einbau von CopyCat viel zu hoch. Auch wenn die Aktivität der Genschere auf die männliche Keimbahn beschränkt blieb, scheiterte das Experiment. Nur in der weiblichen Keimbahn war der Gene Drive grundsätzlich wirksam.

Warum funktioniert es nur in Weibchen? Der Grund liegt wohl darin, dass eine Zelle zwei Möglichkeiten hat, einen vollständigen Schnitt durch ein Chromosom zu reparieren. Der häufigste Reparaturmechanismus nennt sich non-homologous end joining (NHEJ): Dabei werden die Enden der geschnittenen Stränge rasch wieder zusammengefügt, allerdings auf Kosten kleiner Fehler und Auslassungen. Die Funktion des Gens wird dabei in der Regel zerstört.

Ein Gene Drive funktioniert daher nur mit dem zweiten Reparaturmechanismus, der homology-directed recombination (HDR) genannt wird. Die Reparatur nutzt dazu eine Vorlage, die vom zweiten, unbeschädigten Chromosom stammt: Der entsprechende, homologe Bereich wird sorgfältig kopiert und die Funktion des Gens wieder vollständig hergestellt. Und bei Säugetieren ist es vor allem die weibliche Keimbahn, in der der HDR-Mechanismus aktiv ist.

Gene Drive für das Labor, nicht für die Natur

Die hohe Fehlerrate war ein Problem, ein anderes die Effizienz. Während in Insekten ein Gene Drive auf nahezu 100 % aller Nachkommen übertragen wird, waren es bei den Mäusen selbst unter optimalen Bedingungen gerade einmal 72 %. Anwendungen in freier Natur – etwa für die Ausrottung invasiver Ratten auf abgelegen Vogelparadiesen – versprechen daher wenig Aussicht auf Erfolg.

Doch Kimberly Cooper und ihre Mitarbeiter hatten ja auch ein anderes Ziel – die Evolution der Springmäuse zu untersuchen. Im nächsten Schritt wollen sie daher drei Gene gleichzeitig an einen Gene Drive koppeln, um die Züchtung von veränderten Mausstämmen spürbar zu beschleunigen. Sollte dies erfolgreich sein, kann auch die medizinische Forschung profitieren: Menschliche Erkrankungen, die auf mehreren genetischen Defekten beruhen, ließen sich dann in einem Mausmodell untersuchen.

Im Labor ist der Gene Drive langfristig auch am besten aufgehoben. Dort bleibt er ein nützliches Werkzeug, um neue Erkenntnisse über Evolution, Biologie und Krankheiten zu gewinnen. In der freien Natur hingegen soll der Gene Drive die Umwelt nach unseren Vorstellungen formen – und das kann leicht nach hinten losgehen.

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