Grundlagen und Anwendungen der modernen Gentechnik

Die Fragmentierung der DNA

Enzyme sind imstande, die DNA zu schneiden. Diese Enzyme, Restriktionsendonukleasen oder Restriktasen genannt, sind in der Lage, konkrete Punkte in der Nukleotidsequenz zu erkennen und zu schneiden, die sogenannten Target-Sequenzen.

Verwendung eines Vektors

Ein Vektor ist verantwortlich für die Einführung eines bestimmten Stückes DNA in andere Zellen. Plasmide: Bakterien besitzen ein kreisförmiges, doppelsträngiges DNA-Molekül, das den größten Teil ihrer genetischen Information trägt. Sie haben zudem kleine DNA-Doppelstrang-Moleküle, ebenfalls kreisförmig, die Plasmide genannt werden. Ein Bakterium kann davon mehrere Kopien in sich tragen.

Rekombinante DNA und Einleitung von Fremd-DNA

Die Verbindung eines DNA-Fragments mit einem Vektor führt zu rekombinanter DNA. Die Technik umfasst das Schneiden der Passagier-DNA und des Vektors mit demselben Restriktionsenzym.

Einleitung von Fremd-DNA in lebende Zellen

Sobald der Vektor mit der Fremd-DNA erstellt wurde, muss eine lebende Zelle diesen aufnehmen, um ihr genetisches Erbe zu erweitern. Die eingesetzte Technik variiert je nach verwendetem Vektor und der Art der Empfängerzelle:

• Transformation: Die Einführung zusätzlicher DNA in Bakterien, erreicht durch Veränderung der Umgebungsbedingungen zur Erhöhung der Membrandurchlässigkeit.
• Virale Vektoren: Wenn der Vektor ein Virus ist, besitzt er bereits Mechanismen zur Einführung eigener und fremder DNA.
• Ti-Plasmid: Bei Pflanzenzellen verfügen Bakterien über eigene Mechanismen zur Einführung des Plasmids.
• Transfektion: Dieser Begriff wird verwendet, wenn DNA in eukaryotische Zellen eingebracht wird.
• Transgene Organismen: Wenn die Einbringung von Fremd-DNA in die Keimzellen von Tieren oder Pflanzen stattfindet.

Klonierung von DNA und Genen

Beim Klonen von DNA werden Fragmente (z. B. aus dem menschlichen Genom) mittels Plasmid-Vektoren in Bakterien eingeführt. Man erhält Bakterienklone, die jeweils ein bestimmtes Restriktionsfragment enthalten. So entstehen DNA-Klone.

Klonierung eines spezifischen Gens

Ein Klon wird lokalisiert, der das entsprechende Fragment enthält. Dieses wird weiter fragmentiert, bis man das kleine Fragment findet, welches das Gen enthält. Die Gewinnung eines Klons eines bestimmten Gens ist von großer Bedeutung, besonders wenn ein Protein von Interesse (z. B. Insulin) aus Bakterien gewonnen werden soll, die das Gen exprimieren.

Expression übernommener Gene

Die Einführung eines Gens in Bakterien ermöglicht dessen Klonierung. Viel interessanter ist jedoch die Möglichkeit, dass das Gen exprimiert wird und das entsprechende Proteinprodukt (nach Transkription und Translation) liefert.

Herausforderungen bei eukaryotischen Genen

1. Introns: Eukaryotische Gene besitzen Introns, Bakteriengene nicht. Statt des ursprünglichen DNA-Fragments muss eine Version ohne Introns verwendet werden:
   • Isolierung der mRNA (z. B. von Insulin).
   • Synthese einer komplementären DNA (cDNA) mittels reverser Transkriptase.
   • Diese cDNA-Kopie entspricht der reifen mRNA und entbehrt der Introns.
   • Die cDNA wird in einen Vektor eingeführt und in Bakterien transformiert.
2. Promotoren: Der cDNA fehlen Promotoren und Terminatoren. Da diese Regionen zwischen Bakterien und Eukaryoten variieren, müssen bakterielle Promotorsequenzen mit der menschlichen cDNA verbunden werden.

DNA-Sequenzierung

Die Sequenzierung dient dazu, die genaue Ordnung der Nukleotide in der DNA zu bestimmen.

Medizinische und therapeutische Anwendungen

Herstellung therapeutischer Proteine: In Bakterien werden Stoffe wie Insulin, Wachstumshormone, Interferon, Gerinnungsfaktor VIII und Impfstoffe hergestellt.

Methoden der Gentherapie

Gentherapie ist die Einführung eines korrekten Gens in Zellen eines Lebewesens, das eine krankheitsverursachende Mutation aufweist. Die somatische Zelltherapie erfolgt auf drei Wegen:

• Ex-vivo-Therapie: Zellen werden entnommen, außerhalb des Körpers mit normalen Genkopien versehen und wieder implantiert.
• In-situ-Therapie: Vektoren werden direkt in das betroffene Gewebe eingeführt (z. B. bei Mukoviszidose in die Lunge).
• In-vivo-Therapie: Das Gen wird direkt in die Blutbahn injiziert.

Weitere Anwendungen in der Medizin umfassen das genetische Screening und die Gerichtsmedizin (Forensik) zur Identifizierung von Tätern.

Gentechnik in Landwirtschaft und Tierproduktion

Transgene Pflanzen

Der Fokus liegt auf der Erzeugung transgener Pflanzen, was in eukaryotischen Zellen komplexer ist als in Bakterien. Wichtige Ergebnisse sind:

• Transgene Maissorten.
• Weizensorten mit höherem Nährwert und Resistenzen gegen Schädlinge oder Herbizide.
• Tomatensorten, die langsamer reifen.

Transgene Tiere

Anwendungen zur Verbesserung der Tierproduktion wurden vor allem bei Fischen durchgeführt:

• Gentechnisch veränderte Karpfen: 20–46 % schnelleres Wachstum durch Gene von Regenbogenforellen.
• Transgener Lachs: Bessere Kälteresistenz durch Gene arktischer Fischarten.

Das Humangenomprojekt

Die Kenntnis der normalen Nukleotidsequenz dient als Referenz für die Gentherapie. Das Projekt ermöglicht die Kartierung von Genen (Bestimmung der Abstände) und die vollständige Entschlüsselung der Sequenz. Das menschliche Genom ist heute zu 100 % sequenziert.