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Seit ungefähr 11.000 Jahren gibt es Nutztiere in Mitteleuropa. Vor rund 11.000 Jahren machte sich der Mensch das Schaf zum Nutztier. Seit 8.000 Jahren gehören das Rind, das Schwein, die Ziege und der Hund auch zu den Nutztieren. Das Pferd ist erst seit 5.000 Jahren ein Nutztier.
Ihr Hauptnutzen liegt gestern wie heute in der Nahrungsmittelproduktion. Ihre Bedeutung als Arbeitstiere ist infolge der Motorisierung stark zurückgegangen und wurde durch ihre Bedeutung als Freizeitgerät ersetzt.
Seit jeher versuchte der Mensch, erst durch unbewußte, später durch bewußte Selektion und Züchtung, die Anzahl der Nutztiere und ihre Leistung zu verbessern. Ihre Züchtung und Kreuzung ist schwieriger als bei Pflanzen, weil zu wenig Einzelwesen vorhanden sind. Diese benötigen eine zu lange Entwicklungszeit und haben eine geringe Anzahl an Nachkommen. Darüber hinaus sind die Unterhaltungskosten zu hoch.
Trotzdem gab es große Leistungsverbesserungen gegenüber den Wildformen (z.B. Steigerung der Milchjahresleistung von 600 auf über 4.000 Liter im Jahr).
Tierzüchtung ohne Einsatz der Gentechnik
Die Industrialisierung der Landwirtschaft hat auch ihren Nutztierbestand erfaßt, und seit etwa 20 Jahren konkurrieren althergebrachte Züchtungsmethoden mit einer zunehmenden Palette an biotechnologischen Verfahren. Wichtigste Bestandteile gegenwärtiger Zuchtprogramme sind die künstliche Besamung, die bei den Rindern die natürliche Paarung fast vollständig verdrängt hat, der Embryotransfer, der auch Biotechniken wie die Teilung von Embryonen (Embryosplitting), die Geschlechtsbestimmung und die in vitro-Fertilisation (künstliche Befruchtung im Reagenzglas) umfaßt, sowie die Kryokonservierung, d. h. die Tiefkühllagerung von Embryonen. Dies soll zur Verbesserung der Tierbestände führen, da die genetische Vielfalt durch ein größeres Angebot an Zuchttieren gesteigert und die Einschleppung von Tierseuchen reduziert wird. Die aufgezählten Verfahren haben gemeinsam, daß kein gezielter Eingriff in das genetische Material vorliegt und die Vererbung der Gene deshalb ausschließlich den natürlichen Regeln folgt.
Ein Beispiel:Um die Erbanlagen einer hochleistungsfähigen Zuchtkuh rascher zu vermehren, wird die Methode des Embryotransfers gewählt. Man injiziert der Zuchtkuh Hormone, die einen mehrfachen Eisprung auslösen. Bei der künstlichen Befruchtung durch ausgewählte Zuchtbullenspermien entwickeln sich so bis zu 20 Embryonen, die nach einer Woche aus der Gebärmutter ausgespült werden. Die Embryonen werden Ammenkühen (d.h. Kühe die mit einem sterilen Männchen gepaart wurden und so den Hormonzyklus einer schwangeren Kuh aufweisen, aber in Wirklichkeit "scheinschwanger" sind) eingesetzt. Die Ammenkühe tragen die Embryonen normal aus.
Die Einführung der Gendiagnostik beim Menschen brachte auch Fortschritte für die Züchtungsbiologie, da sich mit den DNA-Analysemethoden die Weitergabe einzelner Gene bei Kreuzungen genau verfolgen läßt und eine gezielte Züchtung ermöglicht. Außerdem konnten phänotypische Eigenschaften wie Milch- oder Fleischzusammensetzung definierten DNA-Sequenzen zugeordnet werden. So waren damit alle Voraussetzungen gegeben, um ausgewählte Gene gezielt in das Genom von Tieren einzuschleusen.
Tierzüchtung mittels Gentechnik
Das Grundprinzip bei der Erzeugung transgener Tiere besteht nun darin, daß alle Zellen, einschließlich der Keimzellen, das rekombinierte Genom in stabiler Form enthalten, damit die neugewonnenen Eigenschaften weiter vererbt werden können. Gegenwärtig haben sich zwei verschiedene Methoden herauskristallisiert, die Mikroinjektion von DNA in die befruchtete Eizelle und der Gentransfer mit Retroviren während des embryonalen Frühstadiums.
Mikroinjektion mit DNA
Die größte Erfahrung beim Gentransfer in Tiere besteht in der Mikroinjektionstechnik. Als Ausgangsmaterial dienen isolierte Embryonen im Ein-Zell-Stadium (Zygoten) und DNA, die nach gentechnischen Standardverfahren (siehe Methoden der Gentechnik) so modifiziert wird, daß sie neben dem neu einzuführenden Gen auch einen Promoter (Abschnitt zur Regulation der Genaktivität im Empfängerorganismus) enthält. Um eine ausreichende Zahl von Zygoten zu gewinnen, werden den weiblichen Tieren Hormone verabreicht, die eine gesteigerte Produktion von Eizellen anregen (siehe Beispiel aus Tierzucht ohne Gentechnik). Nach der Befruchtung derart vorbehandelter Weibchen können bis zu 20 Zygoten ausgespült werden. Nach der Verschmelzung von Ei- und Samenzelle bleiben beide Zellkerne als sogenannte Vorkerne für kurze Zeit getrennt in der Zygote, bevor sie sich zu einem Zellkern vereinigen. Während dieser Zeitspanne wird die fremde DNA in den meist größeren väterlichen Vorkern injiziert. Dazu benutzt man eine Glaskapillare, mit so einem kleinen Durchmesser, daß keine bleibenden Schäden an der Zelle auftreten, als Injektionsnadel. Der gesamte Vorgang erfolgt unter mikroskopischer Kontrolle mit sogenannten Mikromanipulatoren (aufwendige Geräte zur Steuerung der mechanischen Abläufe bei der Injektion). Bis zu 60% der Zygoten überleben die Mikroinjektion. Diese Embryonen werden dann mikrochirurgisch in den Eileiter eines scheinschwangeren Ammentieres (siehe Beispiel aus der Tierzüchtung ohne Gentechnik) implantiert und müssen nach der Geburt auf ihren transgenen Status untersucht werden. Mit Hilfe der Gendiagnostik kann in der DNA, die aus Gewebe- oder Blutproben der Jungtiere gewonnen wurde, das eingebaute Fremdgen nachgewiesen werden (bis zu 20% haben es). Die Position an der das neue Erbmaterial in das Genom integriert wird, kann bei dieser Methode nicht kontrolliert werden, so daß der Zufall entscheidet, ob eine günstige Plazierung und somit eine starke Ausprägung der gewünschten Eigenschaft oder eine ungünstige Plazierung und somit erhebliche Störungen der Genregulation und krankhafte Defekte, vorliegt.
Gentransfer mit Retroviren:
Bei der zweiten Methode werden Retroviren als Vektoren für Fremd-DNA zur Herstellung transgener Tiere benutzt. Für den Gentransfer nutzt man die natürliche Fähigkeit dieser Viren aus, die Zellwand der Wirtszellen zu durchdringen und zur Vermehrung die viruseigenen Nucleinsäuren in das Wirtsgenom stabil zu integrieren, so daß mit jeder Zellteilung auch die viralen Gene vervielfältigt werden. Im Gegensatz zum üblichen Informationsträger DNA, für die Kodierung des Erbguts, besteht das genetische Material der Retroviren aus RNA, weshalb der direkte Einbau in die DNA der infizierten Zelle nicht möglich ist. Ein zusätzlicher Kopiervorgang mit dem viruseigenen Enzym Reverse Transkriptase schreibt deshalb zunächst die RNA-lnformation in ein entsprechendes DNA-Molekül um (dies druckt die Vorsilbe Retro im Namen dieser Virusklasse aus) und löst dadurch die Aufnahme in das Genom des Wirtes aus. Für die Infektion embryonaler Zellen werden ausschließlich defekte, mit gentechnischen Methoden modifizierte Retroviren eingesetzt, die sich nur noch unter definierten Laborbedingungen in das Genom des Wirtes integrieren können. Zusätzliche Klonierungsschritte ermöglichen den Einbau von Fremdgenen, so daß diese rekombinante Viren als Vektoren für den Gentransfer dienen. Als Empfänger für die neue Erbinformation verwendet man im allgemeinen sogenannte embryonale Stammzellen, die sich aus Embryonen im Acht-Zell-Stadium von schwangeren Tieren gewinnen lassen. Nach der Entfernung der Eihülle können die einzelnen Zellen in Kulturschalen vermehrt sowie zum gewünschten Zeitpunkt mit der Viruslösung zusammengegeben und dadurch infiziert werden. Die Kontrolle einer erfolgreichen Infektion kann mit den Methoden der DNA-Diagnostik bereits auf zellulärer Ebene in der Kulturschale erfolgen. Transgene embryonale Stammzellen überführt man durch Mikroinjektion in eine Blastozyste (ein bereits im Uterus eingenisteter Embryo im frühen Wachstumsstadium), die nur kurzzeitig aus dem schwangerem Tier entfernt und nach der Manipulation sofort wieder reimplantiert wird. Die neugeborenen Tiere haben formal vier Eltern: Vater und Mutter des ursprünglichen Embryos sowie das Elternpaar, das die Stammzellen gespendet hat. Ob bei dieser chimären Genvielfalt ein transgenes Tier mit den gewünschten Eigenschaften entstanden ist, muß wie bei dem Beispiel der Mikroinjektion durch DNA-Analysen festgestellt werden.
Beispiel:
Die Strategien zur Herstellung größerer und schneller wachsender Tiere basieren auf einer gesteigerten Biosynthese des Wachstumshormons, was durch den Transfer von zusätzlichen Genkopien des Hormons oder durch gentechnisch verbesserte Promotoren erreichbar ist. Das Verfahren wurde beim Schwein angewandt und die Resultate in zwei aufeinanderfolgenden transgenen Generationen untersucht. Die "Riesenschweine" wiesen tatsächlich einen überdurchschnittlichen Anstieg in der täglichen Gewichtszunahme durch eine optimale Futterverwertung bei einer gleichzeitigen Reduktion des Fettansatzes auf. Der stetig hohe Hormonspiegel im Blut der transgenen Tiere führte aber zu Krankheiten wie Gelenkdeformationen, Arthritis (Gelenkentzündung) und Herzschwäche.
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