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Erwin R. Schmidt
Institut für Molekulargenetik
Gentechnologische Sicherheitsforschung
& Beratung
Thema Gentechnologie
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Leider schon etwas veraltet, letzte Auflage 2002
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Molecular Biology of the Gene 6th Edition
Watson, Baker, Bell, Gann, Levine, Losik
CSHL Press ISBN 0-321-50781-9
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Bewertung Amazon *****
Biotechnologie
Thieman; Palladino
ISBN-13: 978-3827372369 2005
445 Seiten, 116 s/w Abb., 598 farb.
Abb., Gebunden
Verlag: Pearson Studium (März 2007)
44,95 Euro
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Frankensteins Monster oder Turbokühe?
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Beispiele für gentechnische
Erfolge und Möglichkeiten
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Maus mit Gen für grün fluoreszierendes Protein
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Nobelpreis für Chemie 2008
für Grün-fluoreszierendes Protein
Roger Tsien, Osamu Shimomura und Martin Chalfie, Nobel in Chemie 2008
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Leuchtende Zierfische
mit Genen für fluoreszierende Proteine aus Korallen
(seit Dezember 2003 frei verkäuflich in den USA)
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Ziel: Überwachung von Abwässern: Transgene gesteuert durch Hormon-induzierbaren Promotor.
z. B. Östrogen im Abwasser Fische leuchten.
Eine weitere Anwendung ist die Kontrolle unter dem Stress-
response-Promotor. Die Fische leuchten dann, wenn
Schwermetalle oder Toxine im Wasser vorhanden sind
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Transgene Drosphila-Fliege mit dem Gen für das „Grün-fluoresziierende-
Protein“ (GFP) aus einer Qualle. Die Expression des GFP-Gens
wird durch den augenspezifischen Promotor des „eyeless“-Gens gesteuert
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Gentechnisch mit GFP modifizierte transgene Mäuse
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Rechts-links-Asymmetriegene steuern grün- und
rot-fluoresziierende Proteinexpression bei der
Krallenfrosch-Kaulquappe
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Zu Weihnachten einen leuchtenden
Genbaum?
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Lachse, die bis zu 30mal schneller wachsen
Die oberen 5 Lachse enthalten ein zusätzliches Gen für
Wachstumshormon
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Drosophila Fliegen mit beta-Galactosidase-Gen unter der Kontrolle
des Hitzeschockpromotors von HSP 70, rechte Fliege mit
Hitzeschockbehandlung – Blaufärbung zeigt beta-Gal-Aktivität
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Planzen, die ihre eigenen Insektizide
produzieren:
die Pflanze unten rechts
enthält das Gen für das natürliche
Insektizid Bazillus thuringiensis
Toxin aus dem gleichnamigen
Bakterium
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Erste Spalte: Überexpression des „Dehydration-response-element-binding protein“
Die Pflanzen sind kälte-, trockenheit- und salzresistenter als der Wildtyp (Spalte
rechts)
Transgene Pflanzen,
die gleichzeitig
gegen Kälte,
Trockenheit
und Salz
unempfindlich sind
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Pflanzen, die sich selbst
sterilisieren: Die transgene Pflanze rechts
enthält ein „Selbstmordgen“
(codiert für eine RNase),
welches spezifisch in den
Antheren exprimiert wird.
Die RNase zerstört die RNA
in den Antherenzellen, die
dadurch absterben und die
Staubgefäße verkümmern.
Die Pflanze ist männlich
Steril!
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Riesenmäuse:
die braune Maus enthält ein zusätzliches
Gen für Wachstumshormon
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Klonierung von Säugetieren und
Gentechnologie
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Das klassische gentechnische Experiment:
Paul Berg, Nobel-Preis 1980
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Wer hat die Gentechnologie
erfunden?
Horizontal gene transfer of the algal nuclear gene
psbO to the photosynthetic sea slug Elysia chlorotica
Mary E. Rumphoa,1, Jared M. Worfula, Jungho Leeb, Krishna Kannana,
Mary S. Tylerc, Debashish Bhattacharyad,
Ahmed Moustafad, and James R. Manharte PNAS November 18, 2008 vol. 105 no. 46 17867–17871
The Vaucheria litorea. algal nuclear gene for oxygenic photosynthesis,
psbO, is expressed in the sea slug and has integrated
into the germline.
Die Natur!
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Wer hat die Gentechnologie
erfunden?
Horizontal gene transfer of the algal nuclear gene
psbO to the photosynthetic sea slug Elysia chlorotica
Mary E. Rumphoa,1, Jared M. Worfula, Jungho Leeb, Krishna Kannana,
Mary S. Tylerc, Debashish Bhattacharyad,
Ahmed Moustafad, and James R. Manharte PNAS November 18, 2008 vol. 105 no. 46 17867–17871
The Vaucheria litorea. algal nuclear gene for oxygenic photosynthesis,
psbO, is expressed in the sea slug and has integrated
into the germline.
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Die „Genklonierung“
in Bakterien
Spender-DNA Vektor-DNA
DNA-Ligase
Restriktionsenzym
Rekombinante
DNA
Transformation
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Spender –DNA:
-die DNA aller Organismen inklusive der Viren
- aus der RNA hergestellte cDNA (complementary DNA)
-chemisch-synthetische DNA
-in vitro mutagenisierte DNA
-und natürlich alle Kombinationen davon
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Entdecker der Restriktionsenzyme
Nobelpreis 1978
Daniel Nathans
Werner Arber
Hamilton O. Smith
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Erkennungssequenz
Hochmolekulare DNA
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Typ II-Restriktionsenzyme erkennen und schneiden die
DNA an palindromischen Sequenzen
z. B. 5´-GGAATTCC-3´
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In der Gentechnologie
ist die Neukombination
unterschiedlicher DNA-
Moleküle wichtig.
Das Verknüpfen von DNA-
Molekülen erledigt das
Enzym „DNA-Ligase“
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Komplementäre
überhängende Enden
(„sticky ends“)
erleichtern das
Wiederverknüpfen
von DNA-Molekülen
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Die DNA-Ligase verknüpft zwei DNA-Moleküle
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Die DNA-Ligasen sind in der Lage, Phospho-
diesterbindungen zu knüpfen. Sie brauchen dafür
Energie, die entweder durch ATP oder NAD+
geliefert wird
T4-DNA-Ligase
E. coli DNA-Ligase
Ligase AMP
Ligase
AMP
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Für die Selektion
der gewünschten
rekombinanten
Klone braucht man
die
Vektor-DNA
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Funktionen der Vektor DNA
• Sorgt für Replikation in der Wirtszelle
• Stellt selektierbare Markergene bereit
• Hat Vielzweck-Klonierungsstelle
• Trägt Signalsequenzen für Genexpression
• Verschiedenste Modifikationen für spezielle Anwendungen (z. B. „Shuttle“ zwischen Pro- und Eukaryoten; Elemente für künstl. Chromosomen)
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Typische Vektoren besitzen einen Replikationsorigin (Ori),
selektierbare Marker-Gene und eine multiple Klonierungsstelle
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Blau-Weiß-Selektion mit Hilfe von Vektoren,
die das lac Z-Gen als Marker-Gen tragen:
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Für die Expression fremder Gene gibt es spezielle Expressionsvektoren mit
Signalsequenzen für die korrekte Transkription und Translation in Bakterien
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Gentechnologie an höheren Organismen ist komplizierter
als bei Bakterien wegen der Vielzelligkeit solcher Organismen
Die fremde DNA muss in
die Chromsomen der
Keimzellen gelangen.
Eine gängige Methode ist
die Mikroinjektion der DNA
in den Zellkern einer
befruchteten Eizelle
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Herstellung einer transgenen
Maus
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Ein besonderes Verfahren zur
Herstellung transgener Mäuse
ist die Verwendung embryonaler
Stammzellen (ES-Zellen:
gentechnisch veränderte
embryonale Stammzellen,
„schwarze“ Zellen in der Abb.)
werden in einen frühen Embryo
(Blastozyste) injiziert. Die ES-
Zellen nehmen an der Entwicklung
teil. Es entsteht ein chimäre Maus
(erkennbar am gescheckten Fell).
Auch die Keimzellen dieser Maus
stammen z. T. von den transgenen
ES-Zellen ab. Durch Kreuzung
entstehen Mäuse, die
von den transgenen ES-Zellen
abstammen (schwarze Maus).
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Maus-Chimären aus embryonalen
Stammzellen-Transplataten
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Ein besonderes
Verfahren ist die
Herstellung von so
genannten
„knock out“
(k.o.)-Mäusen:
In einer ES-Zelle wird
durch homologe
Rekombination ein
intaktes Gen durch ein
defektes ersetzt. Aus den
gentechnisch veränderten
ES-Zellen werden Mäuse
regeneriert mit dem
defekten Gen (siehe
vorherige Folie) defektes Gen
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Der Knock-out kann auch
„konditional“ sein , d. h. unter
bestimmten Bedingungen,
nach Belieben induziert
werden, indem eine
intakte Genkopie von zwei
„Rekombinationssequenzen“
(z. B. lox-P-Sequenzen)
flankiert in die Maus
Eingebaut wird. Durch
Einkreuzen eines Rekom-
binase-Gens wird die Gen-
kopie aus dem Chromosom
heraus geworfen und damit
funktionsunfähig
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Pflanzengentechnologie
Ein natürlicher Helfer für die
Pflanzengentechnologie ist das Bakterium
Agrobakterium tumefaciens
Tumorgallen durch A. tumefaciens
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Pflanzengentechnologie A. tumefaciens injiziert die T-DNA in die Pflanzenzelle,
um sie zu mehr Wachstum anzuregen
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Pflanzengentechnologie DNA-Transfer mit Hilfe von Agrobakterium tumefaciens http://www.sciencemag.org/cgi/reprint/294/5550/2317.pdf
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Typischer Pflanzenvektor auf der Basis des
Agrobakterium tumefaciens Ti-Plasmids
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Bei Pflanzen, die nicht mit A. tumefaciens
infiziert werden können, kann die
„Genkanone“ eingesetzt werden
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Zugelassene GVOs/
GVO-Produkte/USA z.T. Europa
Tabelle: Anzahl der
Genehmigungen pro Pflanzenart
in Nordamerika und in der EU
(Stand März 2000)
EU
- Mais (13)
- Sojabohne (6)
- Tomate (6)
- Baumwolle (5)
- Raps (5)
- Kartoffel (4)
- Kürbis (2)
- Zuckerrübe (2)
- Papaya (1)
- Radicchio (1)
- Flachs (1)
- Reis (1)-
Mais (4)2
- Raps (3)2
- Nelke (3)
- Sojabohne (1)1
- Radicchio (1)3
- Tabak (1)
- Raps (14)
- Mais (11)
- Kartoffel (5)
- Baumwolle (3)1
- Tomate (3)2
- Kürbis (2)1
- Sojabohne (2)
- Flachs/Lein (1)
- Weizen (1)
1: Zulassung nur zu Import, Lagerung und
Verarbeitung nicht zum Anbau
2: davon eine Linie nur zugelassen zu Import,
Lagerung und Verarbeitung, nicht zum Anbau
3: Zulassung nur zur Saatguterzeugung Quelle: RKI, APHIS/USDA, ”Canadian Plant Biotechnology Office”.
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Weltweit. Anbauflächen mit gentechnisch
veränderten Pflanzen 1996-2008 in
Millionen Hektar.
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Fläche* Fläche GVO Anteil GVO
Soja 91 65,8 72%
Mais 161 37,3 23%
Baumwolle 33 15,5 47%
Raps 28 5,9 21%
Anbau gentechnisch veränderter Nutzpflanzen (GVO)
• *Anbaufläche weltweit in Mio Hektar
• % Anteil GVO an Gesamtanbaufläche
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http://www.transgen.de/anbau/eu_international/
531.doku.html
Ausführliche Informationen finden Sie hier:
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Risiken der Freisetzung von
GVOs
Die am meisten diskutierten Risiken sind:
# Gentransfer
# Verwilderung des GVO/neue Unkräuter
# neue Pflanzenkrankheiten
# neue resistente Schädlinge
# “non target“ Effekte
# mangelnde Produktsicherheit
# Reduktion der Biodiversität
GVO: offizielle Abkürzung für „gentechnisch veränderter Organismus
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Sicherheit in der Gentechnologie
http://www.bba.de/gentech/gentg.pdf
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Wirtschaftliche
Bedeutung
der
Gen- und
Bitechnologie
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Arbeitsplätze für
„Lebenswissenschaftler“
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Gentechnik am Menschen
• Gentechnisch hergestellte Medikamente
• Somatische Gentherapie
• Keimbahngentherapie
• Klonierung von Menschen
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Erfolgreiche Gentherapie mit
tödlichen Nebenwirkungen
• X-linked severe combined immunodeficiency disease (X-SCID), bekannt als "bubble baby syndrome.„
• 11 Patienten fehlte das Gen IL2RG
• Das Gen wurde in Stammzellen der Kinder überführt
• drei Kinder entwickelten Leukämie, bzw einen lymphatischen Tumor
• Das Transgen war bei beiden Kindern in das Tumorgen LMO2 hinein gesprungen