Markergen-Eliminierung

Cotransformation und Segregation:
Zwei Gene rein, eins raus

Wenn Zielgen und Markergen getrennt in ein Pflanzengenom eingeschleust werden, kann man mit züchterischen Methoden Nachkommen erzeugen, die "markergen-frei" sind.

Der erste Schritt: Cotransformation

Bei den klassischen Verfahren, mit denen Pflanzen gentechnisch verändert werden, sind Zielgen, welches das gewünschte neue Merkmal vermittelt, und Markergen aneinander gekoppelt. Sie werden in der Regel als Einheit an die Nachkommen weitergegeben.

Um das zu ändern, müssen Ziel- und Markergen so in das Genom eingeschleust werden, dass sie dort an getrennten Orten eingebaut werden und damit auf verschiedenen Chromosomen liegen. Man spricht dann von unabhängigen, ungekoppelten Genen.

Für eine Cotransformation mit Hilfe von Agrobakterien sind verschiedene Anordnungen von Markergen (rot) und dem zu übertragenden Gen (Zielgen, grün) auf dem Vektor möglich:

zwei verschiedene Stämme von Agrobakterien mit je einem Vektor zur Transformation; ein Vektor enthält das Markergen, der andere das Zielgen (Abbildung oben);
ein Bakterienstamm mit zwei Vektoren mit je einem Gen (Mitte);
ein Bakterienstamm mit einem Vektor, auf dem beide Gene an getrennten Stellen angeordnet sind (unten).

Die Cotransformation ist dann erfolgreich, wenn beide Gene unabhängig voneinander integriert worden sind.

Ergebnisse. Mehrere Forschungsprojekte verfolgten das Ziel, die verschiedenen Wege zu einer Cotransformation praktisch zu überprüfen. Zudem sollten Regeln für ihre Anwendung bei verschiedenen Pflanzenarten gefunden werden. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass alle drei Strategien zu einer Cotransformation führen. Allerdings war der Erfolg bei den in die Versuche einbezogenen Pflanzenarten Arabidopsis (Ackerschmalwand), Gerste, Raps und Tabak unterschiedlich.

Der zweite Schritt: Segregation

Sind Ziel- und Markergen unabhängig im Pflanzengenom integriert, können sie in den Nachkommen dieser gentechnisch veränderten Pflanzen wieder getrennt werden: Diese enthalten entweder das eine oder das andere Gen.

Bei der Segregation nutzt man die grundlegenden Vorgänge der Vererbung. Die meisten Pflanzen haben mindestens einen doppelten Satz an Chromosomen . Die neu eingeführten Transgene (Ziel- bzw. Markergen) liegen jedoch nur auf einem Chromosomensatz. Der andere enthält kein Transgen bzw. nur eines davon.

Bei den Samenzellen (Gameten ) werden die Chromosomen neu auf die Nachkommen verteilt, so dass diese sowohl in beiden Chromosomensätzen Transgene enthalten können als auch nur in einem. Eine Vielzahl von Variationen ist möglich (siehe Schaubild). Statistisch werden 25% der Nachkommen das Markergen nicht mehr enthalten.

Auf diese Weise kann ein Markergen, das zunächst bei der Transformation das Auffinden erfolgreich transformierter Pflanzen erleichtert, nach "erledigter Arbeit" wieder entfernt werden.

Schaubild: Eliminierung von Markergenen durch Segregation

Eltern: Gameten (Keimzellen) besitzen nur einen einfachen Chromosomensatz. Er kann nur das Markergen (M, rot), das Zielgen (Z, grün), beide Gene oder keines davon tragen.

Nachkommen: Bei der geschlechtlichen Vermehrung vereinigen sich die Gameten der mütterlichen und der väterlichen Linie. Dabei ergänzen sich ihre jeweiligen Chromosomen zu einem doppelten Chromosomensatz.

In der Generation der Nachkommen sind verschiedene Kombinationen von Marker- und Zielgen möglich. Mit denjenigen Pflanzen, die kein Markergen tragen (blau), kann weiter gezüchtet werden.

Rechnerisch jede vierte Pflanze dieser markergen-freien Nachkommen-Gruppe trägt weder Marker- noch Zielgen.

Cotransformation und Segregation: Zwei Gene rein, eins raus

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Zwei Gene rein, eins raus