Forschung, Klinik und Praxis 09/2000
Schlüsselworte: Gentechnik – horizontaler Gentransfer – Antibiotika-Resistenzgene – transgene Pflanzen
Seit der Veröffentlichung des sogenannten Pustzai-Reports über die
gesundheitlichen Risiken von gentechnisch veränderten Kartoffeln und mit der weltweiten
Zunahme von Lebensmitteln im Handel, die Zutaten aus gentechnisch veränderten Organismen
enthalten, werden Fragen nach der Sicherheit neuartiger Erzeugnisse verstärkt diskutiert.
Sind diese Lebensmittel sicher? Müssen wir uns um horizontalen Gentransfer sorgen? Werden
vermehrt Antibiotika-Resistenzen auftreten? Nachfolgend wird dieser Fragenkomplex an Hand
ausgewählter Literatur diskutiert.
Im Zusammenhang mit dem Verzehr
von Lebensmitteln, die mit Hilfe der Gentechnik hergestellt wurden, wird ein möglicher
Gentransfer aus diesen Lebensmitteln auf Mikroorganismen der menschlichen Darmflora und
auf die Mucosa-Epithelzellen des menschlichen Darms bzw. in körpereigene Zellen
diskutiert. Würde dies aus pflanzlichen transgenen Produkten erfolgen, so spricht man von
einem horizontalen Gentransfer. Ein horizontaler Gentransfer bedeutet, dass eine
genetische Information aus einer Spenderzelle (hier transgene pflanzliche Zelle) in die
Empfängerzelle (Mikroorganismus oder humane Zelle) gelangt und hier in seiner aktiven
Form in die Empfänger-DNA eingebaut wird und damit auch auf Nachkommen weitergegeben
werden kann. Dies bedeutet, dass
- das in das Lebensmittel
neueingeführte Gen einschließlich der Kontrollregionen durch die mechanische
Zerkleinerung und die enzymatischen Verdauungsvorgänge im Magen-Darm-Trakt in seiner
vollständig intakten Form freigesetzt wird,
- die freigesetzte
DNA in ihrer intakten Form im Darmtrakt hinreichend lang stabil erhalten bleibt,
- die freigesetzte
DNA in ihrer intakten Form von einer Empfängerzelle (humane Zelle) auf- genommen wird und
in die genetische Information der Zelle integriert wird,
- die integrierte
neue DNA in der Empfängerzelle exprimiert wird, d. h. sich die neue genetische
Eigenschaft ausprägt.
Das geordnete Eintreffen dieser
aufgeführten Schritte ist Voraussetzung für einen erfolgreichen Gentransfer und wird als
sehr unwahrscheinlich angesehen.
Persistenz von DNA
Doerffler
und Mitarbeiter untersuchten bei Mäusen den Verbleib von oral aufgenommener DNA (DNA des
Bakteriophagen M 13 oder Plasmid DNA pEGFP) während der Magen-Darm-Passage und den
Ãœbertritt in die Blutbahn und in die inneren Organe. 95 % der DNA wurde in der Regel
bereits während der Magenpassage abgebaut; die verbleibenden 5 % wurden jedoch in der
weiteren Darmpassage nicht mehr wesentlich hydrolysiert. Die Tiere schieden Bruchstücke
der fremden DNA bis zu einer Größe von 1 700 Basenpaare im Kot aus. Diese Kettenlänge
könnte durchaus einem intakten Gen entsprechen. Nach mehrmaliger Fütterung ließen sich
Brückstücke der fremden DNA (bis zu 970 Basenpaare) auch im Blut der Tiere nachweisen.
Ãœber die Blutbahn gelangte die fremde DNA in Zellen der Milz und Leber. Die DNA wurde
meist innerhalb von mehreren Stunden wieder abgebaut. Im allgemeinen ließ sich keine
Integration der fremden DNA in die Mäuse-DNA nachweisen und es wurde auch keine
Expression der fremden DNA beobachtet. Wurde die DNA an trächtige Mäuse verfüttert,
konnten vereinzelt Bruchstücke der fremden DNA in verschiedenen Organen der Embryos bzw.
der Nachkommen identifiziert werden. Die fremde DNA konnte jedoch niemals in allen Zellen
der Nachkommen oder in Keimbahnzellen nachgewiesen werden. Die Arbeiten von Doerffler und
Mitarbeiter zeigen zwar, dass mit der Nahrung aufgenommene DNA nicht vollständig
hydrolysiert wird und teilweise in Zellen eintreten kann, aber die Autoren kommen zu dem
Schluss, dass hier kein besonderes neues Risiko von rekombinierter DNA gegenüber
„klassischer“ DNA vorliegt. Die Übertragung von DNA aus der Nahrung auf
menschliche (tierische) Zellen ist wahrscheinlich ein äußerst seltenes Ereignis, aber
dennoch sicherlich in der Evolution ein seit vielen Millionen von Jahren begangener Weg.
DNA ist ein allgemeiner, aber notwendiger Bestandteil unseres Ökosystems und die
Organismen mussten sich stets mit ihr auseinandersetzen.
Der Gentransfer auf
die Darmepithelzellen ist nur von geringer Bedeutung, denn auf Grund der ständigen
Abschilferung der Epithelzellen ist kaum eine Etablierung der fremden DNA möglich. Von
größerer Bedeutung könnte der Transfer von DNA auf Mikroorganismen der Darmflora sein.
Bei Verzehr von gentechnisch veränderten Mikroorganismen als Lebendkulturen besteht die
Möglichkeit eines Gentransfers. Die Wahrscheinlichkeit ist beim Verzehr von
unverarbeiteten (rohen) Lebensmitteln aus transgenen Pflanzen geringer, da bis zum
Zeitpunkt der Exposition die verzehrte DNA durch die Aktivität von Verdauungsenzymen
weitgehend abgebaut wird. Selbst wenn intakte Gene aus den verzehrten transgenen Pflanzen
auf Mikroorganismen der Darmflora übertragen werden sollten, ist die Expression dieser
Gene unwahrscheinlich, da die pflanzlichen Regulationssequenzen des übertragenen
genetischen Materials in den Mikroorganismen der Darmflora keine Funktion ausüben.
Antibiotika-Resistenzgene als Marker
Antibiotika-Resistenzgene
werden in der Gentechnik als Markergene zur Identifizierung der transgenen Zellen
(Pflanze) verwendet. Sie sind ein technisches Hilfsmittel. Diese Gene haben für die
Pflanze nach erfolgter Transformation keine Bedeutung mehr. Antibiotika-Resistenzgene
werden zur Herstellung und „Vermehrung" der Genkonstrukte in Mikroorganismen
eingesetzt, die für die spätere Transformation der Pflanze verwendet werden sollen.
Diese Markergene befinden sich unter der Kontrolle eines prokaryotischen Promotors und
werden später in der Pflanze nicht exprimiert. Hierbei werden meistens Resistenzgene
gegen Ampicillin und Streptomycin/Spectinomycin verwendet.
Für
die Selektion der transgenen Pflanzen (Zellen) können auch Antibiotika-Resistenzgene
unter der Kontrolle eukaryotischer Promotoren verwendet werden. Die Genprodukte werden in
der Pflanze exprimiert. Zum Einsatz kommen in quasi allen Fällen die Resistenzgene hph
(Hygromycinresistenz) und nptII, das Resistenz gegen Kanamycin, Neomycin, Geneticin,
Butirosin, Gentamicin A und B sowie Paromomycin verleiht.
Für den Gentransfer
aus einer pflanzlichen Zelle auf Mikroorganismen der Darmflora müssen die gleichen
Schritte, wie oben aufgeführt, erfolgreich erfolgen. Zusätzlich muss der Mikroorganismus
für die Aufnahme der DNA kompetent sein. Der menschliche Darm enthält ca. 10 14
Mikroorganismen und für den möglichen Gentransfer käme vor allem der Bereich des
Dickdarms in Frage.
Bislang
sind 40 Bakterienarten aus terrestrischen und aquatischen Habitaten bekannt, die DNA durch
Transformation aufnehmen können. Allerdings weiß man nur wenig darüber, ob und mit
welcher Frequenz Bakterien eine Kompetenz ausbilden und in der Lage sind, heterologe DNA
aufzunehmen. Für die stabile Integration der DNA ist das Vorhandensein homologer
DNA-Sequenzen mit eine Voraussetzung. Das Fehlen solcher homologen Sequenzabschnitte im
Rezipienten, aber auch die geringe Fähigkeit des Rezipienten, fremde DNA aufnehmen zu
können, sind vermutlich die Gründe dafür, dass bisher kein Gentransfer von Markergenen
aus transgenen Pflanzen auf Bakterien detektiert werden konnte, wie die Arbeiten von
Smalla et al. vermuten lassen.
Wie bei jeder DNA kann auch bei
rekombinierter DNA ein möglicher Gentransfer nicht völlig ausgeschlossen werden. Der
Gentransfer allein bedeutet noch nicht, dass das Gen aktiv werden kann (exprimiert wird).
Für die erfolgreiche Expression müssen die notwendigen Regulationseinheiten ebenfalls
integriert und vom neuen Wirt erkannt werden.
Schlüter und
Potrykus haben Berechnungen über die Wahrscheinlichkeit angestellt, mit der ein
Antibiotikaresistenzgen aus einer transgenen Pflanze auf einen bakteriellen Rezipienten
übertragen werden kann. Handelt es sich um Bakterien mit effizientem
Transformationssystem, aber ohne Homologien zur aufgenommenen DNA (wie z. B. bei Bacillus
subtilis), liegt die Wahrscheinlichkeit bei 2x10 -11 bis 2,7x10 -17.
Bei Bakterien ohne Transformationssystem, aber mit Homologien zur aufgenommenen DNA (z. B.
Agrobacterium tumefaciens) liegt sie bei 2x10 -14 bis 1,3 x 10 -21.
Würde das neue Gen
in den codierenden Bereich eines endogenen Säugergens, z. B. in den Darmepithelzellen,
insertiert werden, würde dessen Expression mit hoher Wahrscheinlichkeit gestört.
Allerdings ist vermutlich auf Grund des diploiden Chromosomensatzes die andere Kopie des
Gens in der Lage, die Produktion des Genproduktes zu übernehmen. Die Konsequenzen des Transfers sind gering, da
die Darmepithelzellen nur eine kurze Lebensdauer besitzen und es sich um
nicht-reproduzierende Zellen handelt, so dass die Transformation auf die betroffene Zelle
beschränkt bleibt.
Ausbildung von Antibiotika-Resistenzen
Die Untersuchungen
zum Gentransfer zeigen, dass eine Ãœbertragung von Antibiotika-Resistenzgenen aus
transgenen Pflanzen auf Darmbakterien äußerst unwahrscheinlich ist. Eher besteht die
Chance eines Gentransfers durch die mit der Nahrung aufgenommenen Mikroorganismen, die
natürlicherweise Antibiotika-Resistenzgene aufweisen. Nach vorsichtigen Schätzungen
nehmen wir täglich mit der Nahrung 106 Mikroorganismen mit
Antibiotika-Resistenzgenen auf.
Welches Risiko
bestünde, wenn aus einer transgenen Pflanze das Antibiotikum-Resistenzgen auf einen
Mikroorganismus übertragen würde und zur Ausprägung käme? In der Pflanzengentechnik
werden vorwiegend Resistenzgene gegenüber Kanamycin und Ampicillin verwendet. In der
Humanmedizin wird Kanamycin nahezu ausschließlich lokal verwendet; nur sehr selten
erfolgt eine orale Verabreichung. Durch die lokale Verwendung kann das Antibiotikum nicht
durch resistente Keime in seiner therapeutischen Wirkung beeinträchtigt werden. In
unserem Darmtrakt befinden sich je nach medizinischer Vorgeschichte und Nahrungsaufnahme
10–30 % Kanamycin-resistente Mikroorganismen. Die Übertragung des
Kamamycin-Resistenzgens aus einer transgenen Pflanzen auf Mikroorganismen des Darmtraktes
würde in Anbetracht der bereits vorhandenen resistenten Keime kein neues zusätzliches
Risiko bedeuten. Ähnliches gilt auch für das Ampicillin-Resistenzgen TEM wie es z. B. im
transgenen Bt-176 Mais vorkommt. Ampicilline bzw. deren Abkömmlinge werden in der
Humantherapie intensiv oral genutzt. Bei E. coli liegt weltweit die Resistenzquote bei
20–50 % und in Deutschland hat sie einen Wert von fast 40 % erreicht. 90 % der
Resistenzen werden durch die Integration des TEM-Gens und der Ausprägung der TEM1-ß-Lactamase
hervorgerufen. Bei Proteus mirabilis liegt die
Resistenzquote in Deutschland bei fast 25 %. Salmonellen
und Shigellen weisen regional unterschiedlich
Resistenzquoten von 2–10 % auf. Bei Vorliegen einer Penicillin-Resistenz können
andere Wirkstoffe oder eine Kombination mit einem β-Lactamase-Hemmer
eingesetzt werden. Hier sind somit noch hinreichende Therapeutika vorhanden.
Man kann davon ausgehen, dass
nahezu ausschließlich Bakterien, die bereits ein TEM-Gen enthalten, durch einen
Gentransfer betroffen werden. Da aber Bakterien, die das TEM-Gen unter Selektionsdruck
durch einen horizontalen Gentransfer aus einer transgenen Pflanze aufnehmen, keinen
Selektionsvorteil aufweisen, wird sich insgesamt die Zahl der Bakterien mit dem TEM1-Gen
über die Zeit nicht wesentlich erhöhen. Diese neuen Transformanten unterscheiden sich
nicht von den bereits vorhandenen Ampicillin-resistenten Keimen. Dieser mögliche
zusätzliche, aber sehr seltene horizontale Gentransfer hat keine besondere negative
Auswirkung auf die Behandlung bakterieller Erkrankungen. Insgesamt können, nach den
Ausführungen von Pühler, aus wissenschaftlicher und medizinischer Sicht keine neuen oder
zusätzlichen Gefährdungen durch die Kanamycin- oder Ampicillin-Resistenzgene in
transgenen Pflanzen gesehen werden. Im Hinblick auf die öffentliche Diskussion werden
aber zunehmend Antibiotika-Resistenzgene aus den Pflanzen nachträglich entfernt und in
Zukunft auf die Verwendung solcher Gene als Marker verzichtet werden.
Fazit
Gentechnisch
veränderte Lebensmittel bzw. transgene Pflanzen werden vor ihrem Inverkehrbringen
intensiv untersucht. Erhalten sie die uneingeschränkte Zulassung, kann man sicher sein,
ein Produkt zu konsumieren, das die Gesundheit nicht negativ beeinflusst. Die Gefahr, dass
Antibiotika-Resistenzmarker, die in gentechnisch veränderten Pflanzen eingesetzt werden,
zu einer zusätzlichen Verbreitung dieser Gene in Bakterien beitragen, ist sehr gering.
Allerdings wäre es wünschenswert, dass die alternativen Möglichkeiten zur Selektion
bald zur Marktreife gebracht werden, um ein größtmögliches Maß an Sicherheit zu
gewährleisten und um der oftmals unsachlichen Diskussion ein Ende zu bereiten.
Klaus-Dieter
Jany und Claudia Kiener, Molekularbiologisches Zentrum der Bundesforschungsanstalt für
Ernährung, Karlsruhe
Quellen:
- Hohlweg U, Schubbert R, Doerfler W: Fremde DNA überwindet die Darm-, Blut- und die Plazentaschranke. Bioforum 3 (2000) 120–122
- Schubbert R, Hohlweg U, Renz D, Doerfler W: On the fate of orally ingested foreign DNA in mice: chromosomal association and placental transmission to the fetus. Mol Gen Genet 259 (1998) 569–576
- Schlüter K, Potrykus I: Horizontaler Gentransfer von transgenen Pflanzen zu Mikroorganismen und seine ökologische Relevanz. In: Schulte E, Käppeli O: Gentechnisch veränderte krankheits- und schädlingsresistente Nutzpflanzen – eine Option für die Landwirtschaft? Publikation des Schwerpunktprogrammes Biotechnologie des Schweizerischen Nationalfonds, Bern (1999) 160–190
- Smalla K, Gebhard F, Heuer H: Antibiotika-Resistenzgene als Marker in gentechnisch veränderten Pflanzen – Gefahr durch horizontalen Gentransfer? Nachrichtenbl Deut Pflanzenschutz 52 (2000) 62–68
- Pühler A: Horizontaler Transfer von Antibiotika-Resistenzgenen – Diskussion und Erkenntnisse. Nachr Chem Tech Lab 47 (1999) 1088–1092
