Mutationen mit heterozygotem Nachteil können Ausbreitung transgener Tiere verhindern

Max-Planck-Forscher simulieren Bedingungen für eine möglichst sichere Freisetzung genetisch veränderter Organismen

Genetisch veränderte Tiere sollen insbesondere die Ausbreitung von Krankheitserregern eindämmen. Eine Voraussetzung für die Freilassung solcher Organismen in die Umwelt besteht unter anderem darin, dass sich die neue Genvariante nicht unkontrolliert ausbreitet und die natürlichen Populationen verdrängt. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Evolutionsbiologie in Plön haben nun berechnet, dass bestimmte Mutationen über einen längeren Zeitraum erhalten bleiben, wenn zwei getrennte Populationen in geringem Umfang Individuen miteinander austauschen. Die neue Genvariante kann dabei auf eine der beiden Populationen beschränkt bleiben. Wie lange die neue Genvariante dann in der Umwelt überlebt, hängt von der Migrationsrate zwischen den Populationen ab. Die neuen Erkenntnisse können dazu beitragen, Freisetzungsversuche mit transgenen Tieren sicherer zu machen.

Simulierte Freisetzung von 13 transgenen Individuen in zwei aus je 25 Individuen bestehende Populationen, die über Migration miteinander verbunden sind (horizontale Achse: Häufigkeit des mutierten Gens in Population 1, vertikale Achse: Häufigkeit des mutierten Gens in Population 2). Links: bei einer Migrationsrate von 1% verhalten sich die beiden Populationen wie für Freisetzungsversuche gewünscht: In Population 1 verringert sich die Häufigkeit der Mutation schnell in Richtung Null. In Population 2 setzt sie sich dagegen mit hoher Wahrscheinlichkeit gegenüber der natürlichen Genvariante durch und verbleibt lange in diesem Zustand (gelb). Die Zeit bis zum Aussterben in beiden Populationen ist bei dieser Migrationsrate also sehr lang. Rechts: Bei einer Migrationsrate von 10% geht die Mutation in beiden Populationen dagegen mit hoher Wahrscheinlichkeit schnell vollständig verloren.

Genetisch veränderte Organismen dürfen sich nicht unkontrolliert ausbreiten. Wissenschaftler wollen sich deshalb einen Mechanismus zunutze machen, der die Ausbreitung von Mutationen lokal begrenzt. Mutationen mit einem so genannten heterozygoten Nachteil verringern die evolutionäre Fitness ihrer Träger unterschiedlich stark, wenn sie nur einer Genkopie (heterozygot) oder in beiden Genkopien (homozygot) vorliegen. Für ihre Untersuchung haben die Max-Planck-Wissenschaftler für eine heterozygote Mutation beispielsweise einen Fitnessverlust von 50 Prozent gegenüber der natürlichen Form zugrunde gelegt, für die homozygote einen zehn prozentigen Verlust.

Eine Mutation mit heterozygotem Nachteil kann sich in einer Population halten, wenn sie so häufig vorkommt, dass genügend homozygote Nachkommen entstehen. Oberhalb dieses Stellenwertes kann sie die nicht-mutierte Genvariante vollständig verdrängen, darunter stirbt die mutierte Form aus. Populationen mit Mutanten mit heterozygotem Nachteil entwickeln sich also hin zu einem von zwei stabilen Zuständen. Diese Art der Mutationen scheint deshalb gut geeignet für die sichere Freisetzung genetisch veränderter Organismen. Denn sobald genügend Mutanten in der Umwelt vorhanden sind, ersetzen diese in einer lokalen Population die natürliche Variante. Werden solche Gene an Resistenzgene gegen Krankheitserreger gekoppelt, könnte sich beispielsweise Malariaresistenz in einer Mückenpopulation durchsetzen. Indem später die natürliche Form freigesetzt wird, ließen sich die transgenen Tiere so auch leichter wieder aus der Umwelt entfernen.

Die Forscher haben am Computer den Effekt von Mutationen mit heterozygotem Nachteil auf zwei gleich große Populationen simuliert, die wie in der Natur statistischen Schwankungen unterliegen. Dabei berücksichtigten sie insbesondere den Genfluss durch Hin- und Herwandern der Individuen. Demnach kann sich eine solche Mutation zeitweise in einer Population stabil halten. Allerdings nur unter der Bedingung, dass die Migrationsrate weniger als fünf Prozent beträgt. „Außerdem haben unsere Berechnungen ergeben, dass Mutanten am besten in beide Populationen freigesetzt werden, selbst wenn die neue genetische Variante nur in einer davon dauerhaft vorkommen soll. Wenn beispielsweise 75 Prozent der transgenen Tiere auf die Zielpopulation und die übrigen 25 Prozent auf eine benachbarte Population verteilt werden, können die transgenen Formen in der Zielpopulation leichter dauerhaft Fuß fassen“, erklärt Philipp Altrock vom Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie.

Seit einigen Jahren werden in den USA, Brasilien, Malysia und auf den Cayman Inseln Freilandversuche für den Einsatz von genetisch veränderten Tieren durchgeführt. Dazu zählen beispielsweise genetisch veränderte Stechmücken zum Schutz vor Infektionskrankheiten wie Malaria oder Dengue-Fieber sowie transgene Pflanzenschädlinge. In weiteren neun Ländern sind solche Versuche geplant. Bislang wurden Männchen verschiedener Insektenarten freigesetzt, die im Allgemeinen unfruchtbar sind. Auf diese Weise soll die effektive Größe der wildlebenden Population begrenzt werden. „Einer  der Nachteile dieser Methode ist, dass sie sehr oft wiederholt werden muss, denn die transgenen Tiere können sich ja nicht vermehren“, sagt Arne Traulsen vom Max-Planck-Institut in Plön. Außerdem können bei Stechmücken schon wenige Individuen einen großen Anteil an einer nächsten Generation haben.

Demgegenüber könnten sich Mutationen mit heterozygotem Nachteil längerfristig halten. An solche Mutationen gekoppelte Resistenzgene wären also effizienter. Außerdem erhöht sich die Sicherheit eines Einsatzes, da die Ausbreitung über eine Zielpopulation hinaus  sehr unwahrscheinlich ist. „Allerdings müssen die Fitness der transgenen Tiere, die Populationsgrößen sowie die Migrationsraten bekannt sein. Am ehesten lassen sich diese Faktoren bei für Freisetzungsversuchen auf Meeresinseln bestimmen“, sagt Arne Traulsen.

HR

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