Gen-Knockout

Bei der rechten Maus wurde das für Myostatin codierende Mstn-Gen abgeschaltet. Myostatin hemmt das Muskelwachstum. Durch das fehlende Myostatin ist die Muskelmasse der transgenen rechten Maus um den Faktor vier höher als bei dem Wildtyp (links)

Physcomitrella patens Wildtyp und daraus hergestellter Knockout-Moose. Abweichende Phänotypen in Knockout-Mutanten. Physcomitrella-Wildtyp und transformierte Pflanzen wurden auf Minimalmedium (Knop Medium) angezogen, um Differenzierung und Gametophoren zu induzieren. Für jede Pflanzen gibt es eine Übersicht (obere Reihe, Größenbalken: 1 mm) und eine Nahaufnahme (untere Reihe, Größenbalken: 0,5 mm). A: Haploide Wildtyp Moos-Pflanze, die komplett mit Gametophoren bedeckt ist sowie eine Nahaufnahme eines Blättchens. B-D: Verschiedene Mutanten. ^[1]

Unter Gen-Knockout wird das vollständige Abschalten (engl. knock-out = „außer Gefecht setzen“) eines Gens im Genom eines Organismus verstanden. Das Abschalten des Gens wird durch Gene-Targeting erreicht. Dabei werden bei Tieren die embryonalen Stammzellen manipuliert und in die Keimbahn eines Individuums eingebracht. Diese werden weiter gezüchtet, so dass ein Tier entsteht, deren Zellen alle das abgeschaltete Gen enthalten. Bei Pflanzen ist bisher nur das Gene-Targeting in Physcomitrella etabliert. Hier werden Protoplasten mit dem knockout-Konstrukt transfiziert und direkt zu Moospflänzchen (Protonemen) regeneriert. Bereits acht Wochen nach der Transfektion können die Pflanzen mit Polymerase-Kettenreaktion (PCR) auf Gene-Targeting überprüft werden.^[2]

Entsprechend manipulierte Organismen bezeichnet man als Knockout-Organismus. Werden zwei Gene gleichzeitig abgeschaltet, so spricht man von einem double knockout (DKO) und bei drei Genen von einem triple knockout (TKO).^[3]

Anwendung

Organismen mit abgeschalteten Genen sind mittlerweile in vielen Bereichen unverzichtbare Modellorganismen, mit denen die verschiedensten Forschungs- und Entwicklungsprojekte durchgeführt werden. In der Grundlagenforschung dient das Abschalten bestimmter Gene dazu, Rückschlüsse auf die Funktion und Arbeitsweise des Gens ziehen zu können. Sehr viele Gene sind dabei auch im Menschen konserviert, sodass die Ergebnisse sehr oft unmittelbar auf den Menschen übertragen werden können. Eine Reihe von menschlichen Erbkrankheiten, die durch Gendefekte hervorgerufen werden, lassen sich in solchen Organismen besser erforschen. Die Wirkstoffentwicklung zur Therapie der korrespondierenden Erkrankungen wird durch diese Modellorganismen erheblich erleichtert.^[4]

Im Jahr 2007 wurde der Nobelpreis für Physiologie oder Medizin an Martin Evans, Mario Capecchi und Oliver Smithies für ihre Arbeiten an Knockout-Mäusen verliehen.^[5]

Differenzierung

Bei Gen-Knockout wird das betroffene Gen vollständig abgeschaltet. Beim Gen-Knockin wird dagegen eine gezielte Genmodifikation vorgenommen, in dem ein zusätzliches Gen an definierter Stelle in das Genom des Modellorganismus eingefügt wird. Zufällige Integration wird als Transformation bezeichnet. Der Gen-Knockdown bezeichnet ein teilweises Abschalten der Funktion des Gens.

Beispiele

• Knockout-Maus
• Knockout-Moos

Weiterführende Literatur

Fachbücher

• T. W. Mak: The Gene Knockout Factsbook. Academic Press, 1998, ISBN 0-12-466044-4
• R. Kühn und W. Wurst: Gene knockout protocols. Humana Press, 2009, ISBN 1-93-411526-6

Review-Artikel

• A. Bartke: New findings in transgenic, gene knockout and mutant mice. In: Exp Gerontol 41, 2006, S. 1217–1219. PMID 17049788
• S. Tonegawa u. a.: The gene knockout technology for the analysis of learning and memory, and neural development. In: Prog Brain Res 105, 1995, S. 3–14. PMID 7568891
• H. C. Tai u. a.: Progress in xenotransplantation following the introduction of gene-knockout technology. In: Transpl Int 20, 2007, S. 107–117. PMID 17239018

Einzelnachweise

1. ↑ T. Egener u. a.: High frequency of phenotypic deviations in Physcomitrella patens plants transformed with a gene-disruption library. In: BMC Plant Biology. 2, 2002, 6 doi:10.1186/1471-2229-2-6 (Open Access)
2. ↑ R. Reski: Physcomitrella and Arabidopsis: the David and Goliath of reverse genetics. In: Trends Plant Sci. 3, 1998, S. 209–210. doi:10.1016/S1360-1385(98)01257-6.
3. ↑ A. Hohe, T. Egener, J. M. Lucht, H. Holtorf, C. Reinhard, G. Schween und R. Reski: An improved and highly standardised transformation procedure allows efficient production of single and multiple targeted gene-knockouts in a moss, Physcomitrella patens. In: Current Genetics. 44, 2004, S. 339–347. [1]
4. ↑ J. Osterkamp: Kooperativer Genausfall-Einfall. In: spektrumdirekt vom 9. Oktober 2007
5. ↑ Informationen der Nobelstiftung zur Preisverleihung 2007 an Martin Evans, Mario Capecchi und Oliver Smithies (englisch)