Genomische Prägung und Klonen
Normalerweise nimmt man an, dass die Gene der Mutter
und des Vaters die gleiche Wirkung haben. Oder anders
ausgedrückt geht man in der Regel davon aus, dass beide
Allele, die immer zu einem Gen gehören, und von denen eines
vom Vater und das andere von der Mutter stammt, die gleiche Wirkung
haben. Es gibt aber eine Reihe von Fällen auf die das nicht
zutrifft. Das liegt dann in der Regel daran, dass entweder das Gen des
Vaters oder das der Mutter abgeschaltet ist, d.h. dass nur eines der
beiden aktiv ist.
Für das Wachstum des Embryos sind neben dem Wachstumshormon
die Faktoren IGF1 und IGF2 von Bedeutung (insulin-like-growth-factor).
Beide Faktoren binden an den Insulin-Rezeptor (IR). Zusätzlich
gibt es für für beide Faktoren noch Rezeptoren, an
die nur sie binden. Der Rezeptor IGF2r hat die Funktion IGF2 aus dem
Blut zu entfernen. Nach seiner Bindung wird er in ein Lysosom
transportiert um dort abgebaut zu werden.
Um die Auswirkung dieser beiden Faktoren zu prüfen wurden
Knock-out-Mäuse hergestellt. Knock-out-Mäuse von IGF1
wiesen eine deutlich verminderte Wachstumsrate auf und 6 Wochen nach
der Geburt wogen sie nur 30% von dem wieviel normale Mäuse
wiegen. Knock-out-Mäuse des entsprechenden Rezeptorgens IGF1r
erreichten ebenfalls nur das halbe Gewicht von normalen Mäusen
und wiesen darüber hinaus Schäden an der Haut und den
Knochen auf. Das Gen weist einen Mendelschen Erbgang auf.
Beispiel 1: Die
Untersuchung des Igf2-Gens zeigte dagegen ein überraschendes
Ergebnis. Während homozygot geschädigte Tiere nur 60%
des Geburtsgewichtes von normalen Tieren erreichten, zeigte sich bei
heterozygoten Tieren, dass sie genauso stark geschädigt waren
wie die homozygoten Tiere, wenn das Gen vom Vater kam, dagegen normal
waren, wenn es von der Mutter kam. Das läßt den
Schluss zu, dass das mütterliche Gen inaktiviert wurde und
dass es sich beim Igf2-Gen um einen monoallelischen Erbgang handelt,
d.h. dass in jedem Fall nur das väterliche Gen aktiv ist.
Solche Inaktivierungen werden durch epigenetische Mechanismen erreicht.
Epigenetisch heißt, dass nachträglich die
genetischen Eigenschaften verändert werden. Solche
epigenetischen Mechanismen gibt es nur bei Säugetieren und sie
sind in deren Entwicklung wichtig. Es wird entweder das maternale oder
das paternale Allel inaktiviert oder umgekehrt. Das geschieht dadurch,
dass bestimmte Reginonen des Genoms methyliert werden. Eine
Methylierung eines Gens kann dessen Inaktivierung oder dessen
Aktivierung bewirken. Wenn ein Gen in einem bestimmten Zelltyp
inaktiviert wurde, so wird dieses Methylierungsmuster bei einer
Zellteilung dieser Zelle weiter gegeben.
Das bedeutet, dass die beiden Chromosomensätze (ein
mütterlicher und ein väterlicher) in jeder
Körperzelle ein unterschiedliches Methylierungsmuster
aufweisen. Für das Zustandekommen dieser Muster hat sich
folgendes herausgestellt:
In den Mutterzellen der Keimzellen also in den Oogonien und
Spermatogonien wird die Methylierung vollständig aufgehoben.
Dadurch wird erreicht, dass auch die mütterlichen
Blockierungen aufgehoben werden. Im Verlaufe der Keimzellenbildung wird
dann die Prägung erneut vorgenommen, d.h. die Chromosomen der
Ei- und Samenzellen werden im Laufe ihrer Entstehung neu
geprägt, wodurch also die neu zusammen geführten
Chromosomensätze in der Zygote nach der Befruchtung
entsprechend geprägt ist. Diese Erscheinung wird als
genomische Prägung bezeichnet.
Eine genauere Untersuchung des Igf2-Gens zeigte Folgendes:
Das Igf2-Gen wurde in der Nähe von anderen genomisch
geprägten Genen gefunden. Bei der Maus ist das die distale
Region von Chromosom 7. Hier liegen folgende genomisch
geprägten Gene: Mash2 (mütterlich), das in der
Placenta aktiv ist, Insulin-2 (väterlich), das nur im
Dottersack aktiv ist, aber nicht im Pancreas, Igf2
(väterlich), wie oben erwähnt, H19
(mütterlich), das nur für eine nicht translatierbare
RNA codiert. Ein ähnlicher Gencluster findet sich beim
Menschen auf Chromosom 11.
Die neuesten Ergebnisse sprechen für eine enge Kopplung der
Gene H19 und Igf2. Sie liegen nur 90 kb voneinander entfernt. Ein
Modell der Wirkungsweise zeigt die Abb.1.
Beispiel 2:Bei
dem Gen Igf-2r (Insulin-like-groth-factor-receptor) ist es genau
umgekehrt. Das mütterliche Gen ist aktiv und das, das vom
Vater stammt, inaktiv. Das Protein das von ihm gebildet wird, ist ein
Rezeptorprotein, das den Igf-2-Faktor bindet, wodurch ein
Überschuss dieses Proteins abgebaut wird (das Protein wird in
Lysosomen geschleust). Ist das mütterliche Gen also defekt,
kann es zu einer zu hohen Konzentration von Igf-2 kommen, wodurch der
Embryo übermäßig wächst. Stammt
dagegen das defekte Gen vom Vater, so ist der Nachkomme ganz normal,
weil dessen Gen ja sowieso inaktiviert wurde. In ersterem Fall ist die
Maus normalerweise um 30% zu groß und stirbt während
der Schwangerschaft.
Nun die Verbindung zum Klonen. Man hat festgestellt,
dass geklonte Tiere zu groß sind und an Fehlbildungen des
Gefäßsystems und des Kreislaufs leiden. Das hat die
Vermutung hervorgerufen, dass vielleicht durch das Klonen die richtige
genomischePrägung verloren geht. Humphrey untersuchte bei
Mäusen, ob das Igf-2-Gen bei klonierten Tieren
überexprimiert wird. Er konnte das dann tatsächlich
bestätigen. Daraus geht auch hervor, dass die Arbeit mit
embryonalen Stammzellen zu überraschenden Ergebnissen
führen kann, weil die genomische Prägung in ihnen
nicht korrekt vorgenommen ist. Adulte Stammzellen sind für den
entsprechenden Zelltyp natürlich korrekt methyliert.
Quellen:
Gilbert, S.F. Developmental Biology, Sinauer, 2000, S. 126
Skipper, M. Not all Dollys are the same, Nature Reviews Genetics, 2001,
Vol.2, S. 568
Humpherys, D. et al. Epigenetic Instability in ES cells and cloned
mice, Science, 2001, 293, S. 95
Mario Hupfeld ,78464 Konstanz, Mario.Hupfeld@uni-konstanz.de
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