Züchtungskunde, 88, (1) S. 19-31, 2016, ISSN 0044-5401
© Verlag Eugen Ulmer, Stuttgart
Scientific Articles
Chancen und Risiken neuer Züchtungstechniken bei landwirtschaftlichen Nutztieren
H. Niemann1 ; B. Petersen1 ; 1 Institut für Nutztiergenetik, Friedrich-Loeffler-Institut, Mariensee, 31535 Neustadt, E-Mail: heiner.niemann@fli.bund.de
Für die landwirtschaftlichen Nutztiere, wie Rind, Schwein, Pferd und Schaf liegen inzwischen informative Genkarten vor, die die Grundlage für die Entwicklung neuer Züchtungskonzepte und gezielte genetische Modifikationen bilden. In den letzten Jahre sind zudem sogenannte molekulare Scheren, wie Zinkfinger Nukleasen (ZFNs), TALEN (Transcription-activator like effector nuclease) und CRISPR/Cas (clustered regularly interspaced short palindromic repeats) entwickelt worden, die gezielte genetische Veränderungen induzieren können. Dies geschieht im Wesentlichen durch Steigerung der DNA Mutationsrate über Induktion von Doppelstrangbrüchen an vorbestimmten genomischen Stellen. Die Anwendung dieser molekularen Scheren wird auch Gen Editing genannt. Im Vergleich zu konventionellen homologen Rekombinationstechniken können molekulare Scheren die Targeting Rate um bis zu 10.000fach erhöhen und die Ausschaltung eines Gens über mutagene DNA Reparaturmechanismen wird mit ähnlicher Frequenz stimuliert. Der erfolgreiche Einsatz der molekularen Scheren ist in unterschiedlichen Organismen, wie Insekten, Amphibien, Pflanzen und Säugern, einschließlich Nutztiere und Mensch, gezeigt worden. Das CRISPR/Cas System kann sogar multiple Sequenzen in einem Ansatz mutieren und scheint in dieser Hinsicht ZFNs oder TAL überlegen zu sein. Die zurzeit vorliegenden Resultate zeigen, dass die molekularen Scheren für jedes Gen in jedem Organismus erfolgreich eingesetzt werden können und damit wertvolle Hilfsmittel für Studien zum Verständnis komplexer biologischer Systeme, zur Produktion genetisch modifizierter Tiere sowohl für landwirtschaftliche als auch für biomedizinische Zielsetzungen, zur Erstellung spezifischer Zelllinien, für die Züchtung genetisch modifizierter Pflanzen, und sogar für die Behandlung humaner genetischer Erkrankungen sind. Der vorliegende Artikel gibt einen aktuellen Überblick zu den molekularen Scheren als neue Hilfsmittel zukunftsorientierter Zuchtstrategien, nennt die zugrundeliegenden Mechanismen und beschreibt neue Möglichkeiten für die Erstellung genetisch modifizierter Nutztiere.
Zinkfinger-Nukleasen Transcription-activator like Endonucleasen; CRISPR/Cas9; Molekulare Scheren; DNA Doppelstrang Brüche; Gen Editing.
Opportunities and potential risks of novel breeding tools for livestock production
Informative genomic maps have become available for the main farm animals which provide the basis for novel molecular based breeding concepts and targeted genetic modifications. Molecular scissors (MS), incl. Zinc Finger Nucleases (ZFNs), Transcription-activator like endonucleases (TALENs) and Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPR/Cas) mediate targeted genetic alterations by enhancing the DNA mutation rate via induction of double-strand breaks at a predetermined genomic site. The application of these MS is called gene editing. Compared to conventional homologous recombination based gene targeting, MS can increase the targeting rate 10,000-fold, and gene disruption via mutagenic DNA repair is stimulated at a similar frequency. The successful application of different MS has been shown in different organisms, including insects, amphibians, plants, nematodes, and mammals, including various livestock species and humans. The CRISPR/CAS9 system is capable of targeting even multiple genomic sites in one shot and thus could be superior to ZFNs or TALEN. Current results indicate that MS can be successfully employed for virtually any gene in any organism which renders them useful for improving the understanding of complex physiological systems, producing genetically modified animals, for both agricultural and biomedical purposes, creating specific cell lines, and plants, and even for treating human genetic diseases. This article provides an update on molecular scissors as new tools for precision breeding of livestock, their underlying mechanism and focuses on new opportunities for generating genetically modified farm animals.
Zincfinger nucleases; Transcription-activator like endonucleases; CRISPR/Cas9; Molecular scissors; DNA double strand breaks; gene targeting