Medizinische und ökonomische Perspektiven der roten Gen- und Biotechnologie

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 FORSCHUNGSFRAGE
1.1 Einleitung
1.2 Fragestellung

2 Material und Methoden

3 Forschung und Entwicklung in der Biotechnologie
3.1 Einführung
3.1.1 Definition der roten Biotechnologie
3.1.2 Grundlagen der roten Biotechnologie
3.1.3 Eine kurze Geschichte der Gen- und Biotechnologie
3.2 Methoden der roten Biotechnologie
3.2.1 Methoden zur Veränderung der DNA
3.2.1.1 Rekombinante DNA
3.2.1.2 Vektoren
3.2.1.3 Gene targeting
3.2.1.4 Transgene Organismen
3.2.1.5 Klonierung / Monoklonale Antikörper
3.2.2 Aufklärung von Genen und des Genoms
3.2.2.1 Das Human-Genom-Projekt
3.2.2.2 Polymerase Chain Reaction
3.2.2.3 Genetic fingerprinting
3.2.2.4 Pharmakogenomik
3.2.2.5 Genbibliotheken
3.2.2.6 Gendatenbanken
3.2.2.7 Proteomik (Proteomics)
3.2.2.8 Bioinformatik
3.3 Anwendungen der roten Biotechnologie am Menschen
3.3.1 Auf Glykoproteinen basierende Therapeutika
3.3.1.1 Proteohormone/Zytokine/Growth factors
3.3.1.2 Antikörper
3.3.1.3 Enzyme und ihre Blockade
3.3.1.4 Modulatoren der Blutgerinnung
3.3.1.5 Rekombinante Impfstoffe
3.3.2 Auf Nukleinsäuren (DNA/RNA) basierende Therapeutika
3.3.3 Auf Zellen basierende Therapeutika
3.3.3.1 Tissue Engineering
3.3.3.2 Krebsimpfstoffe
3.3.4 Reproduktionsmedizin
3.4 Methoden der klassischen Pharmaforschung
3.4.1 Unterschiede zur Biotechnologie
3.4.2 Entdeckung/Synthese neuer Substanzen
3.5 Der F+E-Prozess für Humantherapeutika
3.5.1 Einführende Übersicht
3.5.2 Die Erforschung neuer Arzneimittel
3.5.3 Das Zulassungsverfahren

4 Rechtliche und institutionelle Rahmenbedingungen der roten Biotechnologie
4.1 Grundlagen
4.2 Sachgebiete
4.2.1 Regelungen zur Gentechnik
4.2.1.1 Biosafety-Protokoll
4.2.1.2 Europäische Richtlinien
4.2.1.3 Gentechnikgesetz
4.2.2 Regelungen zur Gentherapie
4.2.3 Arzneimittelrecht
4.2.3.1 Die ‘Good Practice’-Richtlinien
4.2.3.2 Der Gemeinschaftskodex für Arzneimittel und die EMEA
4.2.3.3 ICH und CPMP-Guidelines
4.2.4 Weitere Schutzvorschriften
4.2.4.1 Embryonenschutzgesetz (EschG)
4.2.4.2 Menschenrechtskonvention zur Biomedizin
4.2.5 Das Patentrecht

5 Struktur der Biotech- und Pharmaindustrie
5.1 Pharmaindustrie
5.1.1 Weltmarkt
5.1.2 Firmen
5.1.3 Geschäftsfelder
5.1.4 Produkte
5.2 Die Biotech-Industrie
5.2.1 Weltmarkt
5.2.2 Firmen
5.2.3 Geschäftsfelder
5.2.4 Produkte
5.3 Kooperation zwischen Pharma und Biotech

6 Die Perspektiven der Biotechindustrie
6.1 Ökonomisches Potential
6.1.1 Innovation in der klassischen Pharmaindustrie
6.1.2 Das Wachstum der roten Biotechnologie
6.1.3 Der ’lag’ zwischen Entwicklung und Vermarktung
6.1.4 Kritische Masse
6.1.5 Das Life-Science-Konzept
6.1.6 Zwischenergebnis
6.1.7 Politische und rechtliche Rahmenbedingungen
6.1.7.1 Der Vergleich zwischen den USA und Europa
6.1.7.2 Regulativer Wettbewerb
6.1.7.3 Die Biogenerika-Problematik
6.1.8 Das Patentrecht
6.1.9 Zwischenergebnis (II)
6.2 Medizinisches Potential
6.2.1 Fortschritte durch Genomik und Proteomik
6.2.2 Das Entitäten-Problem
6.2.3 Auswirkungen der Pharmakogenomik
6.2.4 Die Perspektiven etablierter Therapien
6.2.5 Die Perspektiven der Diagnostika

7 Diskussion und Zusammenfassung
7.1 Die Wechselwirkung zwischen Medizin und Ökonomie
7.2 Die öffentliche Diskussion zur Biotechnologie
7.2.1 Sicherheit
7.2.2 Schutz des Individuums
7.2.3 Die Debatte zur Ethik in der Biomedizin
7.2.4 Fragen der Kommerzialisierung
7.3 Zusammenfassung

8 Literatur

9 Anhang

10 Eidesstattliche Erklärung

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Rote, grüne und graue Biotechnologie

Abbildung 2: Zusammenhang zwischen DNA, RNA und Proteinen

Abbildung 3: Beispiel einer DNA-Sequenz

Abbildung 4: Die Methoden der Biotechnologie

Abbildung 5: Organisationsstruktur des DHGP

Abbildung 6: Funktionsschema der Y2H-Methode

Abbildung 7: Anwendung der roten Biotechnologie am Menschen

Abbildung 8: Der Arzneimittelbegriff in der Europäischen Union

Abbildung 9: European Medical Evaluation Agency EMEA

Abbildung 10: Orphan drugs August 2003

Abbildung 11: International Conference on Harmonisation

Abbildung 12: Menschenrechtskonvention zur Biomedizin

Abbildung 13: Weltmarkt –Entwicklung

Abbildung 14: Marktanteile (%) und F+E-Ausgaben (%) im Jahre 2001

Abbildung 15: Geschäftsfelder

Abbildung 16: Mitarbeiterzahlen der Biotechs in Deutschland

Abbildung 17: Kooperation Pharma-Biotech in Deutschland

Abbildung 18: Neu zugelassene Wirkstoffe

Abbildung 19: F+E-Kosten pro erfolgreich entwickeltem Originalmedikament

Abbildung 20: Produktpipeline europäischer Biotechs

Abbildung 21: Patente für gentechnische Arzneimittel 1990 und 2002

Abbildung 22: Weltmarkt der Proteomik

Abbildung 23: Profitable Biotechfirmen (weltweit)

Abbildung 24: Pflanzenbiotechnologie

Abbildung 25: Der fallbezogene Ethikdiskurs

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Vektoren in der Gentherapie

Tabelle 2: Projekte innerhalb des DHGP

Tabelle 3: Modellorganismen

Tabelle 4: Struktur der ‘junk DNA’

Tabelle 5: Individuelle Variationen der DNA

Tabelle 6: Projekte innerhalb des HUPO

Tabelle 7: Besonderheiten biotechnologischer Medikamente

Tabelle 8: Chemisch-technische Methoden der Grundlagenforschung

Tabelle 9: Die Phasen der klinischen Forschung

Tabelle 10: Europäisches Recht

Tabelle 11: Zuständigkeiten in der EU für Biotechnologie

Tabelle 12: Marktanteile der führenden Pharmahersteller

Tabelle 13: Beschäftigte in der Pharmaindustrie

Tabelle 14: Die umsatzstärksten Medikamente im Jahr

Tabelle 15: Biotechnologie Nordamerika-Europa

Tabelle 16: Die weltgrößten Biotechnologiefirmen

Tabelle 17: Geschäftsfelder deutscher Biotechs

Tabelle 18: Die umsatzstärksten Biopharmazeutika im Jahr

Tabelle 19: Forschungsallianzen Millenium

Tabelle 20: Zyklus des EU-Biotech-Index relativ zum FTSE Europe

Tabelle 21: Mittelzufluß in Deutschland

Tabelle 22: Ionenkanalerkrankungen

Tabelle 23: Entitäten in der Hämato-Onkologie

Tabelle 24: Ansprechraten auf Arzneimittel

Tabelle 25: Ethikräte in Deutschland

Tabelle 26: Synonyme für Zytokine (Anhang A1)

Tabelle 27: Präparate (zugelassen) und Entwicklungen (Auswahl) der roten Biotechnologie (Anhang A2)

Tabelle 28: CPMP-Guidelines zur roten Biotechnologie (Anhang A3)

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Forschungsfrage

1.1 Einleitung

Biotechnologie umfaßt alle Methoden, Verfahren und Produkte, welche die Nutzung von lebenden Organismen oder ihren zellulären und subzellulären Bestandteilen beinhalten (vgl. Dt. Ärzteblatt:2003:609). Die Gentechnik umfaßt Verfahren zur Veränderung der Erbinformation und ist eng mit der Biotechnologie verzahnt (vgl. Bergstedt:2003:5). Die auf den Menschen und Tiere bezogene Biotechnologie wird auch als ‘rote’ Biotechnologie bezeichnet, während die ‘grüne’ Biotechnologie auf Pflanzen und ihre Produkte, also die Landwirtschaft zielt. Man kann schließlich noch die ‘graue’, auf Verbesserung industrieller Produktionsverfahren abzielende Biotechnologie abgrenzen (Europabio:2004d:1f.; Ronzheimer:2001:1). Das Ineinandergreifen von neuen Entdeckungen und Methoden, die rasch angewachsenen Investitionen sowie die Forschungswettläufe zwischen öffentlichen und kommerziellen Einrichtungen und der EU mit den USA haben die Entwicklung der Biotechnologie rapide beschleunigt. Die unerwartet rasche Aufklärung des menschlichen Genoms ist ein sichtbares Zeichen dieser Entwicklung.

Die Entwicklung betrifft aber nicht nur die Grundlagenforschung und die Diagnostik, sondern auch die Therapie. Aus ökonomischer Sicht ist die Entwicklung umsatzstarker neuer Arzneimittel ein einträgliches Geschäft, das maßgeblich zur Attraktivität der heutigen Biotechnologie beigetragen hat. Die ‘rote’ Gen und Biotechnologie gilt in der pharmazeutischen Industrie als die Schlüsseltechnologie der Zukunft schlechthin und die Prognosen lassen erwarten, dass gen- und biotechnologisch basierte Präparate in den nächsten beiden Jahrzehnten der wesentliche medizinisch-pharmazeutische Innovationsträger wie auch der Hauptumsatzträger sein werden. Dennoch hat die rote Gen- und Biotechnologie bisher nicht alle medizinischen und ökonomischen Erwartungen erfüllen können. Zunächst einmal haben sich die Hoffnungen auf Synergieeffekte zwischen ‚roter’ und ‚grüner’ Biotechnologie im Sinne des Life Science-Konzepts bisher nicht erfüllt, was zur zunehmenden organisatorischen Trennung zwischen roter und grüner Biotechnologie geführt hat. Die Entwicklung marktreifer Therapien erweist sich insgesamt als schwieriger als erwartet, was die in den 90er Jahren intensiv geförderte Biotechnologiebranche in den letzten Jahren in eine Strukturkrise geführt hat, die nun einen Konsolidierungsprozess mit Insolvenzen, Fusionen und Aufkäufen nach sich zieht.

Hinzu kam die anfängliche (forschungs)politische Zurückhaltung auf europäischer Seite, die der USA einen Wettbewerbsvorsprung verschafft hat. Gleichwohl läßt das medizinische und ökonomische Potential der roten Biotechnologie eine Erholung und einen Durchbruch in kommenden Jahren erwarten.

1.2 Fragestellung

In dieser Arbeit werden deshalb die medizinischen und ökonomischen Perspektiven der ‘roten’ Gen- und Biotechnologie am Menschen mit folgenden Fragestellungen untersucht:

1. Welche realistischen medizinischen Perspektiven bietet die rote Gen- und Biotechnologie in den kommenden Jahren?
2. Welche ökonomischen Perspektiven bietet die rote Gen- und Biotechnologie, wobei folgende Fragen besonders untersucht werden:

- Warum ist die Entwicklung neuer Präparate und Therapien durch die Gen- und Biotechnologie nach einem raschen Aufschwung in den frühen 80er Jahren gegenüber den Prognosen in Rückstand geraten?
- Welche Faktoren haben zu den unterschiedlichen Entwicklungs-geschwindigkeiten der roten Gen- und Biotechnologie in den westlichen Ländern geführt? Hier sind insbesondere die rechtlichen und forschungspolitischen Rahmenbedingungen in den USA und Europa zu vergleichen, die isolierte Betrachtung der deutschen Ebene wäre nicht aussagekräftig genug.
- Wieso sind viele biotechnologische Firmen, auch die Aktiengesellschaften, die nicht allein von Fördergeldern abhängen, in ökonomischen Schwierigkeiten? Hierzu wird der Wachstums- und inzwischen einsetzende Konsolidierungsprozess der Branche im Detail analysiert.

Die Biotechnologie wirft aber wegen ihrer Möglichkeiten auch rege diskutierte ethische und rechtliche Fragen auf, die zunehmenden Einfluß auf die gesetzlichen und institutionellen Rahmenbedingungen der Biotechnologie haben. Dieser Problemkreis wird in der Diskussion behandelt.

2 Material und Methoden

Die Untersuchung der medizinischen und ökonomischen Perspektiven der ‘roten’ Gen- und Biotechnologie erfolgt unter Berücksichtigung der technischen, ökonomischen, rechtlichen und politischen Einflußfaktoren. Hierzu werden biotechnologische, medizinisch-pharmazeutische, wirtschaftswissenschaftliche und technische Publikationen aus nationalen und internationalen Fachzeitschriften und die Berichterstattung aus Tages- bzw. Wochenzeitschriften herangezogen, sowie Dokumentationen und Positionspapiere von Fachverbänden, der europäischen Arzneimittelagentur EMEA und nationaler Zulassungsbehörden, amtliche Dokumente Deutschlands und der EU, wie z.B. Verordnungen, Richtlinien, Leitlinien, Parlaments-, Rats- und Kommissionsbeschlüsse. Dabei wird nur Literatur herangezogen, die frei zugänglich ist, um die Nachprüfbarkeit der Aussagen zu gewährleisten. Viele Dokumente sind nur noch über das Internet erhältlich; wegen der Änderungen und ‘Flüchtigkeit’ dieser Dokumente werden alle in dieser Arbeit verwendeten Texte mit Bezugsdatum ausgedruckt und archiviert bzw. durch auf herkömmlichen Wege (Bibliothek, Bestellung, Kauf) bezogene Unterlagen ersetzt, so dass sich der Quellennachweis hinsichtlich der Vollständigkeit und Nachprüfbarkeit langfristig führen lässt (vgl. Simonis:1993:25). Englischsprachige Aufsätze werden übersetzt, bei EU-Texten wurde nach Möglichkeit auf amtliche deutsche Übersetzungen zurückgegriffen.

Zunächst wird der Begriff der roten Gen- und Biotechnologie geklärt und der Forschungs- und Entwicklungsprozess in der Biotech- und Pharmaindustrie dargestellt. Danach wird ein Überblick über die therapeutischen Anwendungen und die Struktur der Biotech- und Pharmaindustrie gegeben, um darauf aufbauend eine praxisorientierte Analyse der humanmedizinischen und ökonomischen Perspektiven durchzuführen.

3 Forschung und Entwicklung in der Biotechnologie

3.1 Einführung

Zunächst wird die ‚rote‘ in Abgrenzung zur ‚grünen‘ und ‚grauen‘ Biotechnologie definiert. Anschließend werden nach einer problemorientierten Darstellung der naturwissenschaftlichen Grundlagen die wichtigsten Methoden und Anwendungen der roten Biotechnologie vorgestellt. Diese werden dann in den Kontext der Arzneimittelforschung gestellt, die zur Zeit das größte ökonomische Potential der roten Biotechnologie besitzt und daher im Fokus der ökonomischen Analyse stehen wird.

3.1.1 Definition der roten Biotechnologie

Die auf den Menschen und Tiere bezogene Biotechnologie wird auch als ‘rote’ Biotechnologie bezeichnet, während die ‘grüne’ Biotechnologie auf Pflanzen und ihre Produkte, also die Landwirtschaft zielt. Man kann schließlich noch die ‘graue’, auf Verbesserung industrieller Produktionsverfahren abzielende Biotechnologie abgrenzen (Europabio:2004d:1). Die folgende Abbildung gibt einen allgemeinen Überblick über die drei Stränge der Biotechnologie (vgl. Dt. Ärzteblatt:2003:609; Europabio:2004a:1; Isenegger:2001:3; Merrettig-Bruns/Bergstedt:2003:34ff.; IVA:2003:1):

Abbildung1: Rote, grüne und graue Biotechnologie

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

*Bt = Bacillus thuringensis-Protein für Insektizidresistenz (SDR:1997:3)^[1].

**im Sinne der Novel Food-Verordnung

3.1.2 Grundlagen der roten Biotechnologie

Es werden zunächst die Grundlagen und die wichtigsten praktischen Forschungsprobleme dargestellt, weiterführende Details finden sich u.a. in Passarge:1994 und Bergstedt:2003.

Organismen sind in aller Regel aus einer oder mehreren Zellen aufgebaut, deren Erbinformation, das Genom, entweder in Zellkernen (eukaryote Zelle, z.B. Mensch, Hefezelle)^[2] oder frei in der Zelle vorliegt (Prokaryonten, z.B. Bakterien). Das Genom als Gesamtheit der Erbinformation besteht wiederum in der Regel aus Ringen (Plasmiden) oder Chromosomen genannten Körperchen, wobei die Chromosomen neben der Desoxyribonukleinsäure (deutsch DNS, englisch DNA; a für acid) als Träger aller Erbinformation auch ‘Zubehör’ wie Eiweiße (u.a. Strukturproteine wie die sogenannten Histone), Enzyme, nukleäre Rezeptoren als Andockstellen für Hormonwirkungen usw. enthalten.

Abbildung 2 zeigt den Zusammenhang zwischen DNA, RNA und Proteinen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Grundbaustein der beiden relevanten Nukleinsäuren DNA und RNA ist das Nukleotid. Dabei handelt es sich um ein Molekül, das sich aus drei Bestandteilen zusammensetzt: einem Zucker, einer stickstoffhaltigen organischen Base und Phosphorsäure. Das „Rückgrat“ der DNA wird aus Zucker- und Phosphatmolekülen, die abwechselnd vorkommen, gebildet (vgl. Bergstedt:2003:18).

In der DNA gibt es vier verschiedene Basen, Adenin (A), Thymin (T), Cytosin (C) und Guanin (G). Die RNA besitzt an Stelle des Thymins die Base Uracil (U). Dabei liegen spezifische Basenpaarungen in Form von relativ leicht zu öffnenden Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Adenin und Thymin und Guanin und Cytosin vor. Aufgrund der spezifischen Basenpaarung sind durch die Basen eines Strangs die Basen des anderen Stranges festgelegt. Die beiden Stränge werden deshalb als komplementär zueinander bezeichnet (Bergstedt:2003:18f.). Die DNA liegt also im Ruhezustand als Doppelstrang vor, der sich spiralig zu einer Doppel-Helix windet (Passarge:1994:34f.).

Abbildung3: Beispiel einer DNA-Sequenz

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Gene als Erbinformation tragende DNA werden durch definierte Basenabfolgen innerhalb des DNA-Stranges gebildet, wobei ein Gen die Länge von vielen tausend Basenpaarungen haben kann. Daneben enthält die DNA auch viele Abschnitte, die nach jetzigem Stand keine sinnvolle Information enthalten, die Funktion dieser scheinbar ‘sinnlosen’ Abschnitte ist noch weitgehend unbekannt. Falls die DNA zur Herstellung des Gen-Produktes abgelesen werden soll, wird der Doppelstrang durch Enzyme geöffnet und anschließend an der geöffneten DNA Ribonukleinsäuren als RNA angelagert (Bergstedt:2003:30; Kimball:2004a:1-3). Die DNA dient demnach als Matrize für die RNA, diesen Abschreibevorgang nennt man Transkription. Die RNA kann verschiedene Funktionen haben^[3], als Boten-RNA (messenger-RNA) wird sie von kleinen Zellbestandteilen, den Ribosomen gebunden, die für je drei Basen (ein Triplett) einen Eiweißgrundbaustein (Aminosäure) anlagern. Jedes Triplett steht für eine bestimmte Aminosäure (genetischer Code), von denen es in Organismen in der Regel 20 verschiedene gibt^[4].

Auf diese Weise entsteht aus DNA die RNA und aus der RNA ein Eiweiß (Protein). Die Übersetzung von Boten-RNA in Eiweiße ist die Translation (Bergstedt:2003:29). Die Proteine müssen nach der Translation oft noch nachbearbeitet (modifiziert) werden, z.B. durch Anhängen von Zuckerresten (Glykosylierung), dieser Vorgang heißt posttranslationelle Modifikation.

Proteine sind wiederum die Grundlage für viele Substanzen des Körpers, insbesondere jedoch für die Enzyme.

Enzyme sind Biokatalysatoren, die biochemische Reaktionen im Körper steuern (u.a. erleichtern, ermöglichen, in eine Richtung lenken usw.), ohne sich selber zu verbrauchen, und üblicherweise auf den Begriffe ‘-ase’ enden.

Enzyme ermöglichen zudem die Herstellung von Hormonen, Andockstellen (Rezeptoren) und anderen Stoffen, die die Kommunikation zwischen den Zellen ermöglichen.

Gene steuern also über den Prozess DNA-RNA-Protein den Auf- und Abbau von Zellen, Organen, Strukturen, den Energiestoffwechsel und die Kommunikation zwischen den Zellen eines Organismus.

Wegen ihrer praktischen Relevanz sind folgende Aspekte besonders hervorzuheben:

- Die DNA wird bei der Zellteilung vollständig, kopiert (repliziert), so dass die neuen Zellen beide dieselbe DNA besitzen. Enzyme, die neue Stränge bilden können, heißen Polymerasen und sind für die Biotechnologie wichtig. Das an der natürlichen DNA angelagerte ‘Zubehör’ in Chromosomen ist bisher nur teilweise aufgeklärt, neben Strukturproteinen gibt es auch sehr viele Eiweiße, die für die Regulation (das An- und Abschalten von Genen, z.B. durch den gut aufgeklärten nuclear factor kappa b (NFkB)) von Genen^[5] zuständig sind.
=> Die Aufklärung von Genen erlaubt keine direkten Rückschlüsse auf deren Zusammenspiel oder ihren Aktivitätsgrad.
- Gene in höheren Organismen enthalten Introns genannte Abschnitte, die in einem gesonderten Schritt aus der messenger RNA herausgeschnitten werden müssen (‘Splicing’), so dass nicht nur außerhalb von Genen, sondern auch innerhalb von Genen nicht zur Proteinsynthese genutzte Information vorkommt, was die Aufklärung von Gensequenzen erschwert. Beim Splicing gibt es auch noch Varianten (alternatives oder differentielles Splicing), so dass aus einem Gen mehrere Produkte hervorgehen können^[6].
=> Die Aufklärung der Reihenfolge der DNA-Basen, die Sequenz, ist demnach nicht identisch mit der Aufklärung der Gene.
- Da Proteine in der Zelle häufig noch nachbearbeitet werden, kann man zwar begründete Hypothesen über die Struktur und die Funktion des Proteins aufstellen, aber nicht von der DNA-Sequenz direkt schließen.
=> Die Darstellung eines Gens ist nicht identisch mit der Darstellung der Funktion seines Produktes.
- Die postranslationelle Modifikation läuft in verschiedenen Organismen unterschiedlich ab, die Glykosylierung kann artspezifisch ausfallen.
=> Die Herstellung eines Eiweißes durch einen anderen Organismus kann daher zu einem nicht ganz identischen Endprodukt führen.
- Die DNA ist darüber hinaus zur Erkennung, aber auch zur Stillegung von Genen mit Methylresten markiert.
=> Organismen können fremde DNA erkennen und evtl. zerstören. Die Stillegung der Gene ist ein praktisches Hindernis beim Klonen.
- Hinzu kommt, dass selbst das Genom menschlicher Zellen viele Variationen aufweist, so dass es schwierig ist, von ‘dem’ Genom einer Art zu sprechen.
=> Aus all dem folgt, dass die Gesamtheit aller Eiweiße, das Proteom, erheblich größer ist als die Gesamtheit der Gene, was für die Entwicklung medizinischer Anwendungen einen wesentlichen Aspekt darstellt.

3.1.3 Eine kurze Geschichte der Gen- und Biotechnologie

1865 erkannte Mendel aufgrund seiner Kreuzungsversuche mit Erbsen, das bestimmte Erbmerkmale existieren, die über die Generationen weitergegeben werden. 1903 lokalisierte Boveri diese Erbmerkmale in den Chromosomen, seit 1909 wurde von Genen gesprochen. 1944 zeigte Avery, dass Erbmerkmale mit Hilfe der DNA übertragen werden können. Nach Vorarbeiten zum Aufbau der DNA durch Franklin und Chargaff entdeckten und beschrieben Watson und Crick 1953 die DNA-Doppelhelix. 1966 entzifferten Ochoa und Matthei den genetischen Code, was wiederum die Aufklärung der grundlegenden Struktur der Gene ermöglichte (Quelle: ISB:2004a:1-3).

Seit 1973 wurden molekulare Scheren (Restriktionsendonukleasen) zum Herausschneiden und Wiedereinsetzen von DNA verwendet, womit die Ära der rekombinanten DNA beginnt (vgl. Kimball:2004c:5).

Damit war der Weg zur Verpflanzung von Genen und gentechnisch veränderten Organismen (GVOs) frei. Die systematische Vervielfältigung solcher Organismen im Rahmen des Klonierens ermöglichte die Produktion der ersten rekombinanten Medikamente. Die dadurch ebenfalls mögliche Herstellung von monoklonalen Antikörpern mit definierten Bindestellen konnte auch zur gezielten Aufklärung von Oberflächenstrukturen von Zellen und zum Nachweis von Erregern genutzt werden.

In den 80er Jahren gelingt ein Durchbruch in der Krebsforschung, wobei endgültig gezeigt werden konnte, dass Krebs ein unkontrolliertes Wachstum körpereigener Zellen aufgrund eines (oder mehrerer) genetische(n) Defekt(s/e) ist. Dabei stellt sich überraschenderweise heraus, dass es im menschlichen Erbgut wachstumsfördernde Gene gibt, sogenannte (Proto)-Onkogene, die man vorher auch in tumorauslösenden Viren gefunden hatte. Im Gefolge wurde aufgeklärt, wie diese Gene wirken, nämlich über das Zusammenspiel eines Wachstumsfaktors (Growth factors), der zugehörigen Andockstelle (Rezeptor) und jeweils nachgeschalteter Enzyme (z.B. phosphorylierende Tyrosinkinasen), die in der Zelle z.B. über Transkriptionsfaktoren Wachstumsbefehle übermitteln. Eine Mutation solcher Proto-Onkogene und Onkogene führt unter bestimmten Umständen zum Krebs.

In kurzer Zeit werden zahlreiche neue Wachstumsfaktoren entdeckt und auch Gegenspieler der Onkogene, die Tumorsuppressorgene, die an der Übermittlung von wachstumshemmenden Signalen beteiligt sind, die die Zelle vor Entartung schützen. Das Tumorsuppressorgen Gen p53, das die Zellteilung bremst, ist bei Krebszellen häufig beschädigt (Roche Lexikon:2004b:1; Kimball:2004e:1)^[7].

Die Wachstumsfaktoren (Growth Factors) und die u.a. von Metcalf (vgl. Metcalf:1979;1980,1981,1985) aufgeklärten Zytokine, die der Kommunikation zwischen Immunzellen dienen, eröffneten seit den 80er Jahren wiederum verbesserten die Möglichkeiten, Zellen stabil in Kultur zu halten und mit ihnen zu arbeiten. Die Fortschritte bei der Arbeit mit Zellen führte zur systematischen Aufklärung der Stammzellen, also Zellen, die unspezialisiert und teilungsfähig sind und sich ggf. in spezialisierte Gewebe ausdifferenzieren können, wobei embryonale Stammzellen sich im Prinzip in alle etwa 200 bekannten Gewebsarten weiterentwickeln können und daher toti- bzw. omnipotent genannt werden. Mit der Stammzellforschung erhielten Transplantationsmedizin und Gewebszüchtung (Tissue Engineering) neue Impulse.

1983 wurde von Mullis die Polymerase Chain Reaction (PCR) entwickelt, durch die das Scale-Up-Problem, ausreichende Mengen eines bestimmten Gens für die genetische Diagnostik und die Aufklärung von Genen zu gewinnen, schlagartig gelöst wurde (Passarge:1994:72). Auf diese Weise wurden auch Wachstumshormone und Zytokine in großen Mengen für Experimente und Therapiezwecke verfügbar, nachdem man sie vorher mühselig aus natürlichem Gewebe aufreinigen mußte.

Weitere Fortschritte wurden mit dem Humanen Genome Projekt (HGP der Human Genome Organisation HUGO) und den privaten Konkurrenzprojekten (vor allem die Firma Celera unter Craig Venter) zur Aufklärung des menschlichen Genoms erzielt. In den 90er Jahren verbesserte sich das Verständnis des Wachsens und Differenzierens von Zellen soweit, dass nun auch das Klonieren ganzer Organismen (Klonschaf ‘Dolly’) gelang.

3.2 Methoden der roten Biotechnologie

Die Methoden der Biotechnologie wurden nicht nach einem systematischen Forschungsplan entwickelt, sondern Verbesserungen der Methoden und Entdeckungen auf verschiedenen Gebieten haben sich gegenseitig ergänzt und ermöglichten zusammen mit einer zunehmenden Systematisierung und Automatisierung immer schnellere Fortschritte. Im folgenden werden die wichtigsten Methoden kurz erläutert und der aktuelle Entwicklungsstand zusammengefaßt. Die folgende Abbildung gibt einen Überblick über die Methoden der Biotechnologie^[8]:

Abbildung4: Die Methoden der Biotechnologie

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3.2.1 Methoden zur Veränderung der DNA

3.2.1.1 Rekombinante DNA

Die Entdeckung, dass bestimmte bakterielle Enzyme DNA-Stränge an exakt definierten Stellen schneiden (Restriktionsendonukleasen, ‘molekulare Scheren’), ermöglichte fortan das gezielte Ausschneiden von Genen und ihre Verpflanzung in die DNA eines anderen Organismus (vgl. Kimball:2004c:1-6). Dieser Vorgang heißt Rekombination von DNA. Neben der Rekombination sind die gezielte Mutation und die Chromosomenkombination durch Zellfusion Möglichkeiten zur Veränderung der DNA einer Zelle (Bergstedt:2004:17). Derartig gentechnisch veränderte Organismen (GVOs) stellen dann in Fermentern in großen Mengen das Produkt des eingepflanzten Gens als rekombinantes Protein her (Bergstedt/Merrettig-Bruns:2003:47). Durch nachfolgende Aufreinigung (Purification) der Bakterienprodukte und die Zubereitung zu Arzneimitteln (Formulation) kann dann eine rekombinante Arznei produziert werden.

Das Verfahren ist nicht auf Bakterien beschränkt, sondern wird u.a. auch bei Hefezellen oder kultivierten Tierzellen wie der CHO-Zelle (Chinese Hamster Ovary) oder der BHK (Bay Hamster Kidney)-Zelle angewendet. Um zu erkennen, ob ein Organismus erfolgreich das Fremdgen angenommen hat, werden oft Markergene, d.h. ein zweites Gen mit übertragen, dessen Einpflanzung sich leicht überprüfen läßt. Bei Pflanzen werden hierfür gerne Gene, die gegen Antibiotika (z.B. Kanamycin) resistent machen, eingepflanzt. Bedenken, dass Antibiotikaresistenzen auf diesem Wege verbreitet werden, haben Anteil an der Kritik gegen gentechnisch veränderte Organismen in der grünen Biotechnologie. Auch wenn die Antibiotikaresistenz bisher keine praktischen Probleme erzeugte, forscht man an Techniken, um diese Markierung weglassen zu können (FAZ:2004a:N1).

3.2.1.2 Vektoren

DNA kann mit Hilfe von Vektoren (Überträgern) in Zellen eingeschleust werden. Neben dem Einschleusen von Plasmiden in Bakterien kann man diese auch mit bakterienspezifischen Viren, den Bakteriophagen, infizieren, die Gene in das Bakterium einschleusen (z.B. Bakteriophage phiX-174 für E.coli-Infektion; Kimball:2004d:3). Virale Vektoren können ebenfalls geeignete Zellen infizieren und Gene einschleusen; dies ist eine wichtige Methode für die Entwicklung der somatischen Gentherapie des Menschen, d.h. zum gezielten Transfer von Genen in den menschlichen Körper (KSG:1995; 2003). Weitere Methoden zielen darauf ab, nackte DNA in Zellen einzuführen (Hengge:2000:A3066).

Die folgende Tabelle (modifiziert nach Förstermann:2003:A317) gibt eine zusammenfassende Übersicht über die am Menschen verwendeten Vektoren:

Tabelle1: Vektoren in der Gentherapie

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

*(Menge der übertragbaren DNA oder RNA in Kilobasen kb) **Zellteilung nötig bei Oncoviren, nicht bei Lentiviren oder anderen Vektoren

3.2.1.3 Gene targeting

Ein weiteres Verfahren zum Transfer von Genen ist das gene targeting (Biologielexikon:2004d, 2004e). Beim gene targeting werden veränderte Gene durch sog. homologe Rekombination genau an der Stelle ins Genom integriert, an der sich zuvor das normale zelluläre Gen befand. Diese Verfahren ist für die Herstellung höherer transgener Organismen bedeutsam.

3.2.1.4 Transgene Organismen

Transgene Tiere lassen sich durch drei verschiedene Verfahren herzustellen, nämlich durch Gentransfer^[9] mittels retroviraler Vektoren, durch Mikroinjektion von DNA und durch Transformation embryonaler Stammzellen. Bisher ist fast ausschließlich die Mikroinjektionstechnik erfolgreich zur Generierung transgener Tiere verwendet worden.

Eine DNA-Lösung, die mehrere 100 Kopien des klonierten Gens enthält, wird in den Kern eines befruchteten Eis injiziert; dieses Ei wird dann in ein scheinschwangeres Tier implantiert, d.h. ein Tier, das künstlich in einen hormonellen Zustand versetzt wurde, der sich in einer Schwangerschaft einstellt. Auf diese Weise kann das Ei ausgetragen werden. Tiere, die das Transgen fest integriert haben, vererben es im allgemeinen nach den Mendelschen Regeln an ihre Nachkommen. Die Effizienz des Gentransfers über Mikroinjektion ist nach wie vor niedrig und beträgt bei landwirtschaftlichen Nutztieren ein bis zwei Prozent der transfizierten Eizellen und zwischen 10 bis 15 Prozent der geborenen Jungtiere (DÄ:1999:1922). Mit Hilfe erfolgreich modifizierter Tiere wird durch Inzucht eine neue genetische Linie etabliert. Die eingeschleuste fremde genetische Information bezeichnet man als das Transgen, die Methode wird Transgenesis genannt (Biozentrum:2004a:1-9).

Auf diese Weise können Tiere medizinisch hochwertige Proteine herstellen. Diese Verfahren wird auch als gene farming bezeichnet^[10].

Ein Spezialfall sind sogenannte Knockout-Mäuse, bei denen Gene gezielt ausgeschaltet werden, um bestimmte menschliche Krankheiten simulieren zu können, da sich Mäuse wegen ihrer relativ nahen Verwandtschaft zum Menschen, insbesondere zum Immunsystem, als Modellsystem für menschliche Stoffwechselvorgänge und Krankheiten eignen^[11] (ISB:2003:1).

Knockout-Organismen dienen über die gezielte Ausschaltung des Gens auch zur Funktionsanalyse von Genen in der Entwicklungsbiologie und der Immunologie, finden aber auch zunehmend Interesse in anderen Bereichen, z.B. zur Eliminierung allergener Genprodukte in der Lebensmittelproduktion (Biologielexikon:2004a:1). Theoretisch wäre eine Keimbahntherapie auch beim Menschen denkbar, diese ist aber in Deutschland und anderen Ländern ausdrücklich verboten.

3.2.1.5 Klonierung / Monoklonale Antikörper

Klonieren ist ein Kopierverfahren, bei dem dafür gesorgt wird, dass aus einer (evtl. gentechnisch veränderten) Zelle identische Nachkommen entstehen. Dies ist nicht nur für die Herstellung von Bakterienkolonien wichtig, sondern auch für die Herstellung sog. monoklonaler Antikörper (MAK, englisch monoclonal antibodies Mabs).

Dabei wird eine Plasmazelle, d.h. eine Zelle, die einen bestimmten Antikörper produziert, mit einer sich ständig teilenden Tumorzelle (Myelomzelle) verschmolzen, so dass man nun viele Zellen hat, die einen bestimmten Antikörper produzieren (Hybridoma-Technik; vgl. Krebsglossar:2004:1).

Eine andere Methode ist die Elektrofusion, bei der man Zellen durch gezieltes Anlegen eines leichten Stroms zum Verschmelzen bringt.

Da Antikörper Eiweiße sind, die jeweils eine ganz bestimmte Struktur hochspezifisch erkennen können, eignen sich monoklonale Antikörper nicht nur zur Bekämpfung von Infekten, sondern auch zum Aufspüren von Erregern in Tests wie dem ELISA-Test, der sich u.a. für die Suche nach Viren (z.B. als ‘Aids-Test’) eignet. Man hat gesehen, das chimäre, aus Mensch- und Mausanteilen bestehende Antikörper besonders bindungsstark sind, was zusätzliche Perspektiven für die Bindung an und die Bekämpfung von Krebszellen eröffnet, auch wenn die menschliche Abwehr auf Mauseiweiße mit humanen Anti-Maus-Antikörpern (HAMAs) reagieren kann.

Das Klonen ganzer Organismen als letzter Schritt wurde erst in den 90er Jahren möglich, nachdem sich zeigte, dass sich Erbmaterial aus normalen Körperzellen in Keimzellen einfügen und dort für die Vermehrung reaktivieren läßt. Bei der Methode wird das Erbgut aus einer Körperzelle entnommen und in eine Eizelle gegeben, der zuvor der Zellkern entfernt wurde. Die Eizelle wird schließlich in die Gebärmutter eines anderen Tieres eingepflanzt. Mit Hilfe eines chemischen Zusatzes wird ein Teilungssignal simuliert. Das so entstehende Tier ist daher genetisch identisch mit dem Erbgut-Spender (Klonschaf Dolly im Juli 1996).

Diese Reaktivierung aus erwachsenen Körperzellen ist jedoch nicht vollständig^[12], so dass der klonierte Organismus bisher nur eine Art ‘schmutzige’, d.h. mit vielen kleinen Defekten versehene, leistungsgeminderte und vorzeitig gealterte Kopie des Ursprungsorganismus darstellt. In den allermeisten Fällen sterben die geklonten Tiere vor oder kurz nach der Geburt (Vcell:2004:1). Das Klonschaf Dolly bekam frühzeitig Arthritis und starb 2003. Das Klonen von Menschen ist
-von den ethischen Problemen mal ganz abgesehen- daher vorläufig nicht ohne unvertretbare Risiken möglich.

3.2.2 Aufklärung von Genen und des Genoms

3.2.2.1 Das Human-Genom-Projekt

- Einführung

Mit der strukturellen Genomik (structural genomics) wird der Aufbau von DNA und RNA untersucht, während die Funktion der Genprodukte, des Transkriptoms, des Proteoms und der Stoffwechselprodukte (Metabolite) in der funktionellen Genomik (functional genomics) untersucht wird (Bergstedt:2004:31).

Das Human-Genom-Projekt stellt einen entscheidenden Fortschritt der strukturellen Genomik dar. Die Bedeutung liegt dabei nicht nur in der bloßen Sequenzierung von DNA, sondern in einem bis dahin unbekannten Ausmaß an Systematisierung, Informatisierung, Globalisierung und Industrialisierung des Forschungsprozesses. Die Entschlüsselung des menschlichen Genoms, die von den USA initiiert wurde, war und ist jedoch nur ein Teil des Projektes. Deutschland stieß wegen der hiesigen Vorbehalte gegen die Gentechnik erst sehr spät (1995) hinzu, nachdem 1993 das GenTG überarbeitet worden war (GenTG:2002; DHGP:2004a; DHGP:2004b:12)^[13]. Ziel des Humangenomprojekts ist es, die genaue Sequenz der menschlichen Erbsubstanz zu ermitteln, wobei der euchromatische Teil des menschlichen Genoms, also derjenige Bereich, der keine Wiederholungen enthält, im Fokus steht. Regionen, welche aus langen Aneinanderreihungen von sich ständig wiederholender DNA (‚junk DNA’) bestehen, werden heterochromatisch genannt und enthalten nur sehr wenig genetische Information. Insgesamt werden die Kosten des Humangenomprojekts auf 3 Mrd. US-Dollar für 1990-2005 geschätzt, wovon nur ein Bruchteil auf die Sequenzierung entfällt.

- Projektstruktur

Die folgende Übersicht des deutschen Human-Genoms-Projekts DHGP ermöglicht einen Einblick in die Struktur des HGP (DHGP:2004b:14ff.):

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung5: Organisationsstruktur des DHGP

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF fördert das Ressourcencenter und die Forschungsprojekte, die assoziierten Projekte werden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG gefördert. Die PLA wird von der Industrie gefördert, die dafür Erstzugriffs- und Erstverhandlungsrechte auf Informationen und Patente erhält.

- Projektaufgaben

Die nachfolgend erläuterte Tabelle gibt einen Überblick über die Projekte innerhalb des DHGP (DHGP:2004b:1):

Tabelle2: Projekte innerhalb des DHGP

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Koordinierung und der Datenaustausch soll Ressourcenverschwendung und Doppelarbeit, wie sie in die Frühphase der Interleukinforschung üblich war, verhindern. Damals wurden viele Substanzen unter verschiedenen Namen mehrfach entdeckt und von vorne untersucht. Probleme der Aufreinigung führten auch dazu, dass manche Effekte, die man den zuerst entdeckten Stoffen zuwies, in Wahrheit noch unbekannten anderen Interleukinen ‘gehörten’, so dass viele Studien nachträglich Makulatur waren. Schon dadurch zeigte sich die Notwendigkeit von Koordination, systematischer Datensammlung in Datenbanken und offenem Datenaustausch. Anhang 1 zeigt, unter welchen Alias-Namen die Interleukine einst kursierten.

Eine grundlegende Aufgabe war die Entschlüsselung der Basenreihenfolge der DNA, die Sequenzierung. Das internationale „Human Genom Project“ verfolgte eine Sequenzierungsstrategie, die als geschachteltes Schrotschussverfahren bezeichnet wurde (vgl. im auch folgenden Bergstedt:2003:69). Dabei wird das Genom zerstückelt, kurze Stücke sequenziert und schrittweise wieder computergestützt zusammengesetzt. Als Ausgangsmaterial wurden Blut- und Spermazellen von sechs bis zehn anonymen Personen benutzt, aus denen Forscher die 23 Chromosomenpaare, welche die Gene des Menschen tragen, isolierten. Auch Venter verwendete eine Schrotschuß-Methode mit massivem Einsatz von Sequenzern und Computeranalytik^[14].

Zur Orientierung im Genom, das schon durch die Aufteilung auf 23 Chromosomenpaare eine räumliche Struktur aufweist, war die Erstellung von physikalischen Karten (Maps, der Prozess heißt Mapping) wichtig. Forscher aus den USA und Frankreich legten 1995 eine detaillierte physikalische Karte des gesamten menschlichen Genoms mit 15.000 unverwechselbaren Markierungen vor und ermöglichten damit eine bessere Orientierung im Erbmaterial des Menschen als je zuvor (DHGP:2004b). Das Genom wurde mit von der PCR leicht erkennbaren Sequence-tagged sites (STS) systematisch markiert (Ropers:1998:A665f.). Die Lokalisierung von Genen auf den Chromosomen erleichtert zudem die Diagnostik und Aufklärung von Krankheiten im Rahmen der molekularen Medizin. Die molekulare Cytogenetik dient dem Nachweis von einzelnen Gensequenzen und dient damit sowohl der Kartierung als auch der Entdeckung genetischer Veränderungen, z.B. durch Anlagerung von fluoreszierender DNA^[15]. Das Genomprojekt befaßt sich aber nicht nur mit dem Menschen. Es laufen auch Aufklärungsarbeiten an sog. Modell-Organismen, d.h. solchen, die für Forschungszwecke besonders wichtig sind (DHGP:2004b:1; BMBF:2003b:1ff.):

Tabelle3: Modellorganismen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

*Kommerziell wurden bis 1998 u.a. folgende medizinisch wichtige Erreger ausgewertet: Candida albicans (Haut- und Schleimhautpilz), Staphylococcus aureus (Eitererreger); vgl. Ropers:1998:A666.

- Projektverlauf

Im Herbst 1990 wurde offiziell das weltweite "Human Genome Project" mit über 1000 Wissenschaftlern in 40 Ländern mit dem Ziel der kompletten Entschlüsselung der genetischen Information des Menschen bis 2010 begonnen. Die neue Technik der Kapillarelektrophorese ermöglichte die Verkürzung eines wichtigen Arbeitsschritts bei der Sequenzierung der DNA und erreichte 1997 das Automatenstadium^[16].

Craig Venter verließ 1992 das amerikanische Humane Genom Projekt und gründete die Firma "The Institute for Genomic Research TIGR" und 1998 das Unternehmen "Celera". Er beschleunigte durch seine Ankündigung, das menschliche Genom innerhalb von drei Jahren in seiner Firma Celera zu sequenzieren, durch Automatisierung und Beschleunigung der Sequenzierung des Genoms auch die Arbeiten im öffentlichen Human Genome Project (Grolle:2000:172-182). Die Erteilung von Genpatenten auf Genbruchstücke in den USA, deren Funktion nicht einmal bekannt war, die Firma Incyte hielt im März 2000 400 dieser Patente, förderte die Furcht vor der forschungsfeindlichen Unterdrückung von Daten und preistreibenden kommerziellen Datenbanken (Grefe:2001:35; Walter:2001:16). Daraufhin beschloß das internationale Human Genome Project, schon 2001 eine erste Rohsequenz der gesamten genetischen Information des Menschen vorzulegen und die Endversion bis 2003 mit 99,99% Genauigkeit fertig zu stellen, was auch gelang (Walter:2001:14ff.).

1997 waren gerade erst drei Prozent des Genoms entschlüsselt, aber schon 1999 wurde das erste menschliche Chromosom 22 entschlüsselt, 2001 publizierte das öffentliche Human Genome Project einen ersten Entwurf des menschlichen Genoms in der Fachzeitschrift Nature, Venter parallel dazu in ‚Science’. Die wichtigsten Ergebnisse sind bisher folgende (Walter:2001:14ff.):

- Das humane Genom umfaßt 3,2 Milliarden Bausteine.
- Die Gesamtzahl der menschlichen Gene wird auf 30000 bis 35000 geschätzt. Das ist nur etwa doppelt so viel wie die Zahl der Gene bei Würmern oder Fliegen, jedoch stellt der Mensch nicht nur ein Eiweiß, sondern drei Eiweiße pro Gen her. Die Gesamtheit menschlicher Eiweiße, das Proteom, ist sehr viel komplexer als bei Wirbellosen. Von daher ist auch die Gesamtheit der gesplicten RNA, das ‚Spliceom‘, und der mRNA, das Transkriptom, von Interesse.
- Im menschlichen Genom befinden sich 223 Gene, deren engste Verwandte sich in Bakterien befinden, und die vermutlich erst nach dem Auftreten der Wirbeltiere Teil des menschlichen Genoms wurden. Vermutlich fanden mehrere voneinander unabhängige Genübertragungen von verschiedenen Bakterien statt. Das heißt aber nicht, dass sie funktionslos sind, so gehört das Gen für das wichtige Nervenstoffwechselenzym Monoaminooxidase (MAO) dazu (Kimball:2004f:3).
- Die junk DNA, die aus Wiederholungssequenzen besteht, ist teilweise für die Entstehung neuer Gene und für die Veränderung und Vermischung existierender Gene verantwortlich. Der Anteil dieser junk DNA beträgt beim Menschen ca. 50% des Genoms, zum Vergleich: Senfgras enthält nur 11%, ein Wurm 7% und in der Fliege sind nur 3% des Genoms junk DNA.

Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die gefundene junk-DNA, die primär aus Transposons besteht, sprich aus DNA, die sich an einen anderen Ort im Genom verpflanzen kann. Transposons verpflanzen sich dabei komplett, Retrotransposons werden hingegen in RNA umgeschrieben und dann von einem Enzym, der reversen Transkriptase, in DNA zurück (retro) geschrieben und an eine andere Stelle im Genom gesetzt (Kimball:2004f:1-4):

Tabelle4: Struktur der ‘junk DNA’

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Retrotransposons könnten eine Evolutionsreserve sein, bei höheren Organismen steigt der Prozentsatz an junk DNA (Kimball:2004h:6; Gibbs:2004:71).

• Mittlerweile wurden 1,4 Millionen Unterschiede, die in nur einem Buchstaben der DNA auftreten, die single nucleotide polymorphisms (SNPs; sprich: ‘Snips’), registriert und deren genaue Lage innerhalb des Genoms katalogisiert, der Katalog ist öffentlich zugänglich (Walter:2001:14ff.). Man nimmt an, dass diese SNPs eine wichtige Rolle für die Unterschiede zwischen Individuen spielen. Um Versuchen das Wasser abzugraben, diese SNPs durch Patentierung abzuschotten, hatten die großen Pharmafirmen AstraZeneca, Bayer, BMS, Roche, GSK und Pfizer das TSC (the SNP Consortium) zur systematischen Veröffentlichung dieser Varianten gegründet (Health:2000:4f.). Neben den Varianten, die nur eine Nukleinsäure betreffen, gibt es auch noch solche, die 2 bis zu 11 Nukleinsäuren betreffen (Cichon:2002:A3091; Freudenberg et al.: 2002a/2002b; Passarge:1994:64^[17] ).

Tabelle5: Individuelle Variationen der DNA

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Andererseits ist die Vielfalt möglicher Varianten beim Menschen durch eine kürzlich entdeckte Blockstruktur des Genoms reduziert, da durch sog. kopplungsereignisfreie Zonen bestimmte Abschnitte immer nur zusammenhängend auftreten können (Freudenberg et al.:2002b:A3191).

3.2.2.2 Polymerase Chain Reaction

Die Polymerase Chain Reaction (PCR) hat viele der hier angesprochenen analytischen und diagnostischen Verfahren vereinfacht (vgl. Kimball:2004b:1). Dabei wird der zu analysierende DNA-Strang durch Erhitzung gespalten (Denaturierung), dann an den Einzelstrang ein kurzer passender Strang angelagert (Hybridisierung). Dadurch können DNA-Polymerasen die DNA wieder zu einem Doppelstrang aufpolymerisieren (DNA-Synthese). Für diesen wiederholbaren Prozess eignet sich eine hitzebeständige Polymerase, die Taq-Polymerase (Taq = thermophilus aquatus).

Die eigentliche PCR-Reaktion findet in einem Thermocycler genannten Reaktionsgefäß statt (Bergstedt:2003:59). Die Zyklen Denaturierung, Hybridisierung und DNA-Synthese werden in der Regel 20-50 mal wiederholt. In jedem Folgezyklus findet erneut eine Verdopplung des DNA-Abschnitts statt, wodurch es zu einer exponentiellen Vermehrung der Zielsequenz kommt.

3.2.2.3 Genetic fingerprinting

Mit dem molekularbiologischen Verfahren des genetischen Fingerabdrucks (DNA-fingerprinting) können die oben beschriebenen individuellen genetischen Muster zur Identifizierung von Individuen genutzt werden (vgl. ISB:2004c:1). Mit Hilfe der PCR können selbst winzige DNA-Spuren vervielfältigt werden und danach mit komplementären Sequenzen, den DNA-Sonden (Gensonden), markiert und mit Hilfe der Gel-Elektrophorese elektrochemisch aufgetrennt werden. Die angelagerten Sonden bilden ein spezifisches Bandenmuster, das für ein Individuum so typisch ist wie eben der Fingerabdruck (vgl. Bergstedt:2003:61). Diese Untersuchung ist für kriminologische Untersuchungen (Blut-, Speichel-, Spermaspuren, Hautreste, Haarwurzeln, Abstriche aus der Wangenschleimhaut) geeignet, aber auch für Vaterschaftsnachweise^[18], die Identifikation von Opfern bei schweren Unglücken usw.

3.2.2.4 Pharmakogenomik

Ein in den 90er Jahren aufgekommener Zweig ist die Pharmakogenomik, die den Einfluß genetischer Variationen des Menschen auf die Wirkungen bzw. Nebenwirkungen von Arzneimitteln untersucht (EMEA:2001:1f.). Dies soll an einem Beispiel verdeutlicht werden: Arzneistoffe werden beim Menschen vorrangig durch das Zytochrom-P-450-Enzymsystem abgebaut, das als eine Art ‘Molekülshredder’ Arzneistoffe verstoffwechselt (metabolisiert) und in eine abbau- bzw. ausscheidbare Form bringt. Studien zeigen z.B. für das Testarzneimittel Spartein eine Variation um den Faktor 1000 bei der Verstoffwechslung (Schwab et al.:2002:A503)^[19].

Sogenannte Gen- oder Bio- oder DNA-Chips mit vorgefertigten Andockstellen für ‘Genschnipsel’ des Patienten mit gekoppelter Laserfluoreszenz-Reaktion können die individuelle Analyse von pharmakogenomischen Besonderheiten einzelner Patienten erheblich erleichtern, und man hofft dadurch, eines Tages die Medikamente viel besser auf den einzelnen Patienten abstimmen zu können (VFA:1999:24). So laufen z.B. zur Zeit Studien, in denen das Aktivitätsmuster bestimmter Gene mit dem Ansprechen auf Krebstherapien verglichen wird (Ezzell:2004:38; Junker:2004:163-164). Die Analyse von Genaktivitätsmustern wird auch als Transcript Imaging bezeichnet (vgl. ISB:2004d:1).

3.2.2.5 Genbibliotheken

Bei einer Genbibliothek handelt es sich um die Sammlung einer Vielzahl von unterschiedlichen klonierten DNA-Fragmenten, wobei jeder Abschnitt mehrfach kloniert vorliegt. Solche Bibliotheken oder "Genbanken" werden zusammengestellt, um die Isolierung und Untersuchung einzelner Gene zu ermöglichen bzw. die gesamte genetische Information eines Organismus zu speichern. Genbanken bestehen aus mehreren 10.000 bis 100.000 Bakterienklonen, die jeweils ein Stück fremde DNA von wenigen 1000 bis mehreren 10.000 Nukleotiden tragen. Mit Hilfe von Gensonden können aus einer Genbibliothek bestimmte Gene herausgefiltert werden (vgl. Bergstedt:2003:59). Grundsätzlich wird zwischen sogenannten genomischen Genbanken und cDNA-Genbanken unterschieden. Genomische Genbanken repräsentieren das komplette Erbmaterial eines Lebewesens, während cDNA-Genbanken das Spektrum der genutzten Gene eines bestimmten Gewebes beinhalten^[20].

Eine Alternative ist die Archivierung in Phagenbibliotheken (Passarge:1994: 60). Das deutsche humane cDNA Projekt beim Munich Information Center of Protein Sequences MIPS arbeitet seit 1997 als Konsortium von acht deutschen Zentren an der Identifizierung neuer Gene sowie alternativer Spleißvarianten, welche die kompletten proteinkodierenden Regionen aller menschlichen Gene enthalten, wobei MIPS die Analyse und Auswertung der Sequenzdaten, sowie die Erstellung und Pflege der entsprechenden ‚volle-Länge‘ cDNA-Bibliotheken übernimmt (MIPS:2004:1). Bisher wurden im Rahmen diese Projektes an die 178.747 ESTs sowie etwa 9.196 cDNAs sequenziert. Alle analysierten Daten und cDNA Klone stehen für weiterführende Experimente frei zur Verfügung (MIPS:2004:1).

[...]

^[1] Die in der Graphik erwähnte "Verordnung (EG) Nr. 258/1997 über neuartige Lebensmittel und neuartige Lebensmittelzutaten" (Novel Food-Verordnung) findet Anwendung auf alle Lebensmittel, die bisher noch nicht in nennenswertem Umfang für den menschlichen Verzehr verwendet wurden und die durch Produktionsverfahren hergestellt wurden, die zu einer wesentlichen Veränderung ihrer Zusammensetzung, ihres Nährwerts oder ihrer beabsichtigten Verwendung führen (BSGEV:2004:1).

^[2] Zu allen hier vorgestellten ‘Regeln’ gibt es immer Ausnahmen: So hat der Mensch neben 46 Chromosomen auch noch ringförmige DNA in den energieproduzierenden Mitochondrien. Die Vorgänge im Zellzyklus und der Zellteilung werden hier nicht im Detail erläutert.

^[3] Neben der messenger-RNA gibt es insbesondere RNA für die Ribosomen (ribosomale rRNA), tRNA für den Transport von Aminosäuren zu den Ribosomen, sowie snRNA (small nuclear RNA), die am Aufbereiten der messenger RNA, dem Splicing, beteiligt ist. Gene kodieren also nicht immer für ein Protein, sondern können auch das ‚RNA-Zubehör‘ kodieren (Bergstedt:2003:26-27).

^[4] Für manche Aminosäuren kodieren mehrere Tripletts, der Code wird daher auch als redundant bezeichnet.

^[5] Auf genetischer Ebene sind Regulatorgene und Strukturgene zu unterscheiden, Regulatorgene regulieren andere Gene, Strukturgene kodieren für enzymatische oder strukturbildende Funktionen (Bergstedt:2003:28).

^[6] Daneben gibt es in einigen Organismen (Mitochondrien, Plastiden, Kinetoplasten der Trypanosomen und einigen Viren), die ein knapp gehaltenes Genom haben, noch RNA-Editing genannte posttranskriptionale Veränderungen von Ribonukleinsäure-Molekülen, wobei nicht die Introns rausgeschnitten werden, sondern die RNA-Sequenz nachbearbeitet wird. So kann es zu veränderten Nukleotidsequenzen und damit veränderten Informationen kommen, z.B. infolge Insertionen, Deletionen (Exzisionen) oder Umwandlungen von Nukleotiden (z.B. Cytosin zu Uracil durch Desaminierung).

^[7] In diesem Zusammenhang entdeckte man auch die Apoptose, den programmierten Selbstmord von Zellen, der dazu dient, nicht mehr benötige oder defekte Zellen zu entfernen (vgl. Kimball:2004j:1-2) und z.B. durch das Zytokin TNF-alpha oder Killerzellen verursacht werden kann (ebd.:3-4).

^[8] Das Klonieren stellt für sich genommen keine DNA-Veränderung dar, ist aber in der Praxis ein wichtiger Verfahrensschritt in der Arbeit mit veränderter DNA und wird daher hier im Rahmen der rekombinanten DNA vorgestellt.

^[9] Europabio (2004e:3): homologer Gentransfer im selben oder verwandten Organismus, z.B. Xylanase in Aspergillus oder heterolog auf anderen Organismus (z.B. Transfer von Chymosin).

^[10] Das erste auf diesem Wege produzierte Protein war a1-Antitrypsin aus der Milch von Schafen. Inzwischen werden weitere Proteine der Blutgerinnung wie z.B. Antithrombin III, Gewebe-Plasminogen-Aktivator, die Faktoren VIII und IX sowie Interleukin 2 vor allem aus der Milch von Schafen, Kühen und Ziegen gewonnen. Mit der heute möglichen Klonierung von Säugetieren verspricht man sich eine kontinuierliche Produktion dieser Proteine in ausreichender Menge und gleichbleibender Qualität über viele Generationen hinweg. Auch an der Gewinnung von Arzneistoffen aus transgenen Pflanzen wird gearbeitet (Biologielexikon 2004b:1).

^[11] Ein wichtiges praktisches Modell sind immungeschwächte Nacktmäuse. Von der Mutation betroffen ist der Transkriptionsfaktor ‚whn’, der u.a. bei der Haarfollikeldifferenzierung eine Rolle spielt. Nacktmäuse dienen dem Studium der Immunreaktivität, da alle Antworten, welche die Anwesenheit von T-Zellen (T-Lymphozyten) erfordern, in diesen Mäusen beeinträchtigt sind (Antworten gegen Thymus-abhängige Antigene; Transplantatabstoßung, zellvermittelte Immunität; Biologielexikon 2004c:1).

^[12] Als Hauptproblem gilt die Tatsache, dass das Erbgut in erwachsenen Körperzellen im Gegensatz zu embryonalen Zellen verändert ist, denn weite Bereiche der DNA sind wie oben beschrieben methyliert und inaktiviert. Bislang kann diese Markierung nicht wieder rückgängig gemacht werden. Hinzu kommt, dass sich die Chromosomenendstücke, die Telomere, mit zunehmender Alterung des Organismus verkürzen. Dollys Telomere wiesen schon bei der Geburt nur 80% der Normallänge auf (vgl. Kimball:2004I:4).

^[13] Das GenTG muß bald wieder geändert werden, hier aber wegen für die grüne Biotechnologie wichtigen EU-Freisetzungsrichtlinie (Biosicherheit:2003:1).

^[14] Die Sequenzierung von DNA kann mit Hilfe einer Vielzahl von Methoden (gelelektrophoretisch, gelfrei, Primer-Walking, Shot-Gun = Schrotschussmethode usw.) erfolgen, die Methoden lassen sich jedoch auch miteinander kombinieren (Walter:2001:14).

^[15] Die Floureszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) wird z.B. angewendet, um festzustellen, ob Frauen mit Brustkrebs das Onkogen Her2/neu besitzen und sensibel für das Medikament Herceptin® sind.

^[16] In den USA erhielt im selben Jahr die erste Patientin eine gentherapeutische Behandlung von French Anderson. Im amerikanischen Bethesda bekam die damals vierjährige Ashanti DeSilva, die an dem schweren Immundefekt SCID (Severe combined immunodeficiency) litt und deshalb unter Quarantäne leben mußte, Zellen mit dem intakten Gen für das Enzym Adenosin-Desaminase (ADA). Der Zustand der Patientin besserte sich.

^[17] Eine amerikanische Studie hat gezeigt, dass die Präsenz von tumorassoziierter Mikrosatelliten-DNA im Plasma mit einer signifikant erhöhten Rezidivrate und einer verminderten Gesamtüberlebensrate einhergeht (Nakayama:2000:87ff.).

^[18] Beispielsweise erkennt die Sonde (TAGT)6 alle mindestens sechsfachen Wiederholungen und die Sonde (GT)8 alle mindestens achtfachen Wiederholungen der genannten Bausteine auf dem Genom eines Individuums.

^[19] Sogenannte ‘slow (langsame)’ (ca.7%) und ‘intermediate (intermediäre)’ Metabolisierer (ca.5-10%), haben wegen des verlangsamten Abbaus mit Anreicherung Risiken für ernste Unerwünschte Arzneimittelwirkungen (UAW), bei den ‘extensive’ Metabolisierern (ca. 80%) ist das Mittel voll wirksam, während bei den ultraschnellen ‘ultra rapid’ Metabolisierern (ca. 3%) eine Unwirksamkeit resultiert.

^[20] cDNA = copy DNA, complementary DNA; doppelsträngige DNA-Kopie einer mRNA; vgl. im Detail Passarge:1994:62. Der Einbau großer cDNA-Mengen in Hefe bezeichnete man auch als YACs (Yeast Artificial Chromosomes; vgl. Passarge:1994:104).