Die Erläuterungen sind auf das für Juristen* Wesentliche heruntergebrochen und simplifiziert dargebracht.

Detaillierte biotechnologische Grundlagen sind dem externen Anhang zu entnehmen:

XXVI. Relevante Begriffe und biologische Grundlagen
XXVII. Do-it-yourself-Biologie (DIY-Bio) und DIY-Biologe*
XXVIII. Synthetische Biologie (SynBio)
XXIX. CRISPR/Cas-System
XX. DIY-Bio-Kits
XXI. Escherichia coli (E. coli)
XXII. BioBricks
XXIII. Biologische Organismen
XXIV. Genome-Editing in der Pflanzenzüchtung

Molekulargenetik für Juristen*

Biotechnologisches und biologisches Detailwissen mit juristischer Deutung

Kap XVI. A. »Molekulargenetik für Juristen*«, S. XVI:2 f.
Kap XVI. D. »Genetik im Überblick«, S. XVI:2 ff;
Kap XVI. H. »GT vs NPBT vs BSN-Verfahren«, S. XVI:2 ff;
Kap XIX. »CRISPR/Cas-System«, S. XIX:2 ff
Kap XXIV. »Genome-Editing in der Pflanzenzüchtung«, S. XXIV:2 ff;
Kap XVIII. A. »Wissenschaftliche Entwicklung der SynBio«, S. XVIII:2 ff.

Vererbung ist die Schlüsselverbindung zwischen der Verhaltensevolution und molekularer Genetik. Während Erklärungen für Verhaltensmuster von Lebewesen und eine Gemeinsamkeit unter Verwandten gefunden werden können ohne einen direkten Bezug zu einem bestimmten Gen, das das Verhalten steuert, herstellen zu müssen, ist die Erklärung aus Sicht eines Molekulargenetikers* bloße Poesie. Die Vererbungslehre zeichnet nur den genetisch kontrollierten Weg hins der Nachvollziehbarkeit gewisse Gesetzmäßigkeit auf. Dazu muss im ersten Schritt das jew verantwortliche Gen identifiziert und seine Expression demonstriert werden.

Gene müssen dabei als informationstragende Moleküle und als Teile der DNA betrachtet werden. Es gibt also Proteine, die für die Zellstruktur und Zellaktivität bedeutend sind. Proteine ​​halten die Zellform zusammen, sie bilden Botenstoffe und Hormone und sind jene Enzyme, die alle wichtigen Prozesse ausführen. Sie sind regelrechte »Arbeitsmulis«.

Was also codiert für Proteine?

Va bei der Proteincodierung kommen die für die klassische GT so bedeutsamen Gene ins Spiel. Sie geben den Code für Proteine ​​vor. Die Protein-Bausteine ​​sind Aminosäuren, wobei von den etwa 400 bekannten etwa 20[1] proteinogene Aminosäuren relevant sind. Jede muss mit einer anderen DNA-Sequenz, bestehend aus drei Nukleotiden (Triplett) codiert werden. DNA legt dabei zunächst einen RNA-Code-String fest, der iwF die Proteinkonstruktion, sprich die Aminosäuresequenz, angibt. Wenn man also die DNA kennt, kennt man auch die RNA, die einem wiederum ein Gefühl für jene Aminosäuren selbst vermittelt, die das Protein bilden werden. Dieses Wissen gibt zugleich Auskunft über die Form des Proteins,[2] die ihrerseits einen Hinweis auf den Funktionstypus des Proteins gibt. Somit ist das kritische Bindeglied von der DNA zur Funktion und zum Konzept des genetisch kontrollierten Verhaltens ausgemacht.

Proteinmoleküle ​​passen in andere Moleküle nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip, das auch für die Welt der Hormone und Neurotransmitter (Synapsen) zutrifft, denn sie passen nach demselben Prinzip die in ihre speziellen Rezeptoren.

Funktion der Enzyme

Enzyme sind für die Katalisation von Reaktionen bedeutsam. Sie verursachen Reaktionen, die von sich aus unwahrscheinlich sind. Nahezu jedes Enzym ist ein Protein. Es beeinflusst die Zellaktivität indem es die Öffnung und Schließung von Ionenkanälen beeinflusst. Ionenkanäle stehen in direktem Zusammenhang mit der Entscheidung der Zelle, zu handeln oder nicht, ein Vorgang der ident zur Ein-aus-Funktionsweise (O/I) eines digitalen Bits. Ein Enzym ist somit auch ein limitiertes binäres System.

Codierung

DNA codiert für RNA, die ihrerseits für Proteine, womit die zentrale Bedeutung der DNA auch schon beschrieben ist. Die DNA entscheidet, was wann zu geschehen hat, sendet dann die den Befehl aus bzw schaltet ihn frei, um aus mRNA-Abschnitten Proteinketten zu knüpfen.[3] Wäre die Welt der Genetik so einfach gestrickt, wäre auch die Einschlägigkeit des GTR wesentlich leichter festzustellen.

Viren und Retroviren

Francis Crick wird die Gründung eines zentralen Dogmas der Genetik zugeschrieben.

DNA codiere für RNA, die wiederum für Proteine​. Sapolsky pointiert dies mit einer anschaulichen Beschreibung des überalterten Dogmas. Die DNA sitze demnach herum und entscheide, was wann geschehen werde, erteile dann und wann Befehle, denen zufolge aus der RNA Proteinketten würden. Überraschenderweise sei die DNA aber nicht immer verantwortlich, wie man am Bsp von Viren erkennen könne. Viren seine im Wesentlichen DNA-Schnipsel, die in einen lebenden Organismus gelangen, dessen DNA entführen, die Kontrolle übernehmen und ihn lenken können. Sie bestimmten somit, wohin die Reise ginge.[4]

Bereits in den 1970er Jahren sind reine RNA-Viren entdeckt worden. Enzyme ermöglichen die Umwandlung von RNA in DNA und setzen somit gesamten parasitären Prozess in Gang. Aufgrund des Übergangs von RNA in DNA werden diese Viren als »Retroviren« bezeichnet.

Nukleotide (Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin)

Vier Nukleotide codieren die DNA. Jedes ist nur etwa 36 Atomen groß. Erst eine sinnergebende Aneinanderreihung von Nukleotiden kann für Lebensformen codieren. Sie sind wie Buchstaben, die ein Wort ergeben, wobei erst die Wörter den Sinn einer Sentenz ergeben, zu verstehen. Das wären dann ein Chromosomenabschnitt eines Gens.

Das menschliche Chromosom #7 besteht etwa aus 158 Mio Nukleotiden und enthält an die 1.500 Gene. Diese Vorstellung muss die juristische Interpretation von BSN-Verfahren begleiten, wenn es etwa darum geht, dass ein DIY-Biologe* ein einzelnes Nukleotid deletiert, insertiert oder austauscht.

Nukleotide sind als kleinste Entitäten eines Genoms in allen terrestrischen Lebewesen gleichermaßen enthalten. Die Veränderung eines einzigen Nukleotids kann den universellen genetischen Code verändern, muss es aber nicht.

DIY-Bio-Mutationen

Themenkomplex 169: Mutation [S. XXXIII:2].

Mutationen sind für die Evolution unabdingbar, sie verändern (mutieren) die Reihenfolge der DNA dauerhaft, wirken ergo nachhaltig auf das Genom (Erbgut) ein. So tritt etwa eine Mikromutation auf, wenn ein Buchstabe (Nukleotid) in der DNA-Sequenz (versehentlich) fehlkopiert wird. Triolenpaare (Aminosäuren) werden von der DNA codiert, es handelt sich um eine Verbindung von drei Basen-Tripletts. Wenn DIY-Biologen* also einen dieser Buchstaben ändern, was bei neuen biotechnologischen GE-Verfahren häufig der Fall ist, beeinflussen sie die endgültige Form und Funktion der erzeugten Aminosäure, wobei es grundlegende die drei nachfolgend in lit a) bis c) beschriebenen Veränderungsarten gibt.

DIY-Bio-Punktmutation

Die erste Veränderung ist die sog Punktmutation[5], bei der einer der Buchstaben in einen anderen Buchstaben umgewandelt bzw gg einen andern ausgetauscht wird, was aufgrund der begrenzten Anzahl verschiedener Aminosäurekombinationen mglw keine Rolle spielt. Da es ja insgesamt vier verschiedene Nukleotide[6] gibt und drei von ihnen jew ein Basentriplett bilden, gibt es 64 Kombinationsmöglichkeiten (= 4x4x4) . Da es etwa 20 relevante Aminosäure-Formen gibt, kann es zu einer Überlappung kommen. 19 GAU (Guanin-Adenin-Uracil) kann der Form 41 GTU (Guanin-Thymin-Uracil) ähnlich sein.[7] Die Änderung von A (Adenin) nach T (Thymin) ändert ggfs die Form nur unwesentlich.[8]

Änderungen im ersten oder dritten Nukleotid (Buchstaben) können uU auch bloß minimale Auswirkungen haben, da die Aminosäuren ähnliche Formen aufweisen, so dass eine geringfügige Abänderung der Nukleotide (Buchstabenänderung) nur zu einer geringfügigen Formänderung führt, aber die Funktionsweise der Aminosäure jedoch nicht bedeutend verändert.

FB 199: Punktmutation

ICH MAG EIN EIS Ausgangscode

ICH MAG ENI EIS unwesentliche Veränderung

ICH MAG NIE EIS wesentliche Veränderung

Die meisten dieser Mutationen sind rezessiv. Nur wenn eine Funktionsänderung auch gametisch ist, kann es uU zu einer Schutzgutbeeinträchtigung iSd GTR kommen.

Bei DIY-Bio-Arbeiten in DIY-Bio-Garagenlabors oder Biohackerspaces werden oftmals Punktmutationen an einzelnen Exemplaren durchgeführt. Selbst wenn die DIY-Bio-Verfahren als Arbeiten mit GVO im geschlossenen System eingestuft wird, weil es sich um ein GE-Mutagenese-Verfahren[9] handelt, das seit dem EuGH-Urteil (Rs C-528/16) nicht von der FRL ausgenommen sein soll, ändert das nichts an der Tatsache, dass auch eine Freisetzung von GVO zu keiner ökologischen Katastrophe führen wird. Warum? Die einzelne GV-Pflanze wird iaR ihre nunmehr nachteiligen oder vorteilhaften Merkmale nicht auf natürliche [biologische!] Weise an Tochtergenerationen weitervererben oder nachhaltig schädigend auf Wildarten auskreuzen. Va aufgrund der Mendel’schen Vererbungslehre und dem Hardy-Weinberg-Gesetz sind agronomische Folgeschäden auszuschließen, sofern es zur Rückkreuzung mit dem rezessiven Partner kommt.[10]

DIY-Bio-Punktdeletion

Auch DIY-Biologen* können einen einzelnen Punkt, also ein Nukleotid löschen. In der klassischen Genetik hat eine Deletionsmutation va dann drastische Auswirkungen, wenn sich durch die Löschung des nachfolgenden Leserasters (frameshift) verschiebt. Das translatierte Protein wird in seiner gesamten Struktur verändert, was zumeist auch zu einem völligen Funktionsverlust führt.

FB 200: Punktdeletion (M)

ICH MAG EIN EIS Ausgang

ICH (M) AGE NIE IS wesentliche Veränderung

Kommt es zu einem Totalschaden, also zum Verlust der behandelten Pflanze, so mag dies mglw ein Sachschaden und eine Sachzerstörung iSd § 125 Fall 1 StGB sein, dennoch kommt es zu keiner Schutzgutbeeinträchtigung iSd GTR. Warum? Die Pflanze ist tot und kann keinen Folgeschaden mehr anrichten.

DIY-Bio-Punktinsertion

Bei der Insertion kommt es ebenso zu einem »frameshift«, allerdings in die gegengesetzte Richtung und idR mit denselben, tls verheerenden Folgen

FB 201: Punktinsertion (X)

ICH MAG EIN EIS Ausgang

ICH XMA GEN IEI wesentliche Veränderung

Kommt es zu einem Totalschaden, also zum Verlust der behandelten Pflanze, so mag dies mglw ein Sachschaden und eine Sachzerstörung iSd § 125 1. Fall StGB sein, dennoch kommt es zu keiner Schutzgutbeeinträchtigung iSd GTR. Warum? Die Pflanze ist tot und kann keinen Folgeschaden mehr anrichten.

Theorie und Logik

Da es 64 mögliche Kombinationen gibt, die jew für 20 Aminosäuren codieren, lässt sich auch das Risiko errechnen. Angenommen man betrachtet eine Mutation, bei der 40 der Kombinationen keinerlei Auswirkung haben, dann liegt eine Standard-Mutationsrate vor, der zufolge zwei Drittel (2/3) der Mutationen die Bildung der Aminosäure nicht beeinflussen und ein Drittel (1/3) die Aminosäure verändern.

Stellt man sich ein DIY-Bio-Szenario vor, bei dem man eine Mutation untersucht und feststellt, dass 99% der Unterschiede in den Bp die Bildung der Aminosäure beeinflussen, dann ist dies ist Ausdruck und Beleg eines hohen Adaptionspotenzials. Verantwortlich ist die positive Selektion eines Merkmals, eine generelle bzw allgemeine Variation ist klar auszuschließen. Haben jedoch 99% der Mutationen keine unmittelbare Auswirkung, dann handelt es sich um ein stabilisierendes Gen, von der DIY-Biologen* besser die Finger lassen sollten.

Der Gedanke lässt sich wie folgt auf den Punkt bringen!

Wenn 99% der Änderungen Auswirkungen auf die Aminosäure haben, handelt es sich um eine positive Selektion, bleiben 99% der Mutationen ohne Auswirkung, dann liegt eine negative Auswahl vor. Positive Elemente können aufeinander aufbauen und vorteilhafte Änderungen bewirken, während die Nicht-Übereinstimmung von Bp keine verheerenden Folgen haben. Bis auf eine kleine Distraktion gibt es keine Folgen hins der Verständlichkeit. Wenn hingegen 99% der Mutationen keine Auswirkung haben, handelt es sich um ein besonders stark stabilisiertes Gen, ohne das Lebewesen etwa keine Lungen ausbilden könnten. Mit der Abnabelung träte unmittelbar der Tod ein.

Um die Molekulargenetik und somit auch die DIY-Bio greifbarer und verständlicher zu machen, soll ein Beispiel zu Schimpansen und Menschen bedient werden.

FB 202: Mensch Hugo und Schimpanse Hobo.

Mensch Hugo teilt 50% der Mensch Hugo mit seinem leiblichen (gleiche Eltern) Bruder Helge.

Hugo teilt aber auch 98% seiner Gene mit dem Schimpansen Hobo.

Demnach müsste, nach einer Milchmädchenrechnung, Hugo mehr Erbgut mit Hobo gemein haben, als mit Helge.

Nun mag einem das Beispiel grotesk erscheinen, es spiegelt allerdings die öffentliche Panikmache und den Umgang mit der Genetik als Wissenschaft wider.

Argumente Risikobeherrschung und Vorsorge werden als Blankobegründungen vorgeschoben, ohne Differenzierungen in der Sache zu treffen.

Im obigen Beispiel geht es um genau solch eine Betrachtungsebene. So haben Schimpansen und Menschen Nasen. Dies ist aber auch eine Gemeinsamkeit, die beide von einem Baum unterscheiden. Die Genetik bringt jedoch Menschen mit unterschiedlichen Nasenformen hervor, die klischeehaft als britisch aristokratische Hochnasen, Hakennasen, Kartoffelnasen, Kürbisnasen oder römische und griechische Nasen beschrieben werden. Die Nasenform selbst ist ein unwesentliches phänomenales Merkmal, das erst mit tls politisch unkorrekten Eigenschaften belegt wird. Der Unterschied in der DNA-Nasen-Sequenz spielt sich auf einem höchst spezifischen Niveau ab, der die Grundfunktion des Riechkolbens weitgehend unberührt lässt. Es kommt zu einer Verschleppung der Materie auf eine politische Ebene.

  1. Wenn jedes vor- oder nachteilige Merkmal, das mit einer Mutation einhergeht, von Bedeutung sein soll, dann muss auch jeder evolutionäre Wettbewerb von Bedeutung sein.

Bereits in den frühen 1970er Jahren haben zwei namhafte Paläontologen, mit der Idee des Punktualismus ein Gegenmodell zum phyletischen Gradualismus als gradualistischen Ansatz entworfen,[11] wonach, anstatt einer unmittelbaren Auswirkung von Mutationen iSd evolutionären Wettbewerbs, lange Perioden des evolutionären Stasis, in denen nichts passiert und kleine Veränderungen nicht relevant sein sollen. Stattdessen brächten diskontinuierlichen Ad-hoc-Veränderungen sprunghaft schnelle und drastische Veränderungen mit sich. Dies wird als punktiertes Gleichgewicht bezeichnet.

Sapolsky führt dazu an, man solle bedenken, Gould sei Marxist gewesen, weshalb dieses Modell im dialektischen Kontext zu werten sei.[12],[13]

Die Analyse von Fossilien zeige lange Perioden, in denen sich nichts zu ändern scheine und plötzlich gebe es, quasi aus dem Nichts, eine große Veränderung, wiederum gefolgt von langen Perioden, in denen nichts passiere. Dies impliziere, die Vielzahl kleiner Änderungen sei mehr oder minder unwichtig und falsifiziere somit die These eines evolutionären Wettbewerbsrahmens. Der Rahmen kreiere demnach eine Illusion einer strikten Hierarchie der Natur, die durch Wettbewerb bestimmt werde.

Die Konklusion Sapolskys legt offen, dass politische Motivationen Einfluss auf den naturwissenschaftlichen Status quo nehmen. Es sei äußerst praktisch, dass das Wettbewerbsmodell gut in das Umfeld passt, aus dem seine Protagonisten* kämen und von dem sie profitierten.[14] Diese Ansicht wird die nachfolgende Untersuchungsarbeit begleiten, insb wenn es darum geht, welchen Einfluss die Agrarlobby auf die Rechtsetzung und Rsp im Bereich der GT und nun auch der neuen BioTech gehabt hat und nach wie vor ausübt.

Bei der Auslegung des GTR – noch besser bei der Schaffung eines neuen BSN-Rechts – müssen biologische und evolutionäre Abläufe richtig eingeschätzt werden. Die Risikoanalyse muss sich an naturwissenschaftlichen Fakten orientieren und nicht an Paranoia oder politisch oder ökonomisch intendierte Panikmache. Manchmal ist die Forschungs- und Innovationsblockade das größte Risiko, wie sich in der Geschichte der Menschheit schon vielfach bewahrheitet hat.

  1. Biologisch richtig und falsch sind zu trennen, denn würde juristisch richtig nicht auf biologisch falsch aufbauen, wäre die nicht falsch aber unrichtig.

IwF sollen Falsifikationsindikatoren beispielhaft angeführt werden, die auf alle mgl wissenschaftlichen Disziplinen der BSN der Gedankenwelt nach auszudehnen sind.

Falsifikationsindikator A

Der erste Indikator ist, dass es sich bei der Biologie und Paläontologie um sehr unterschiedliche Disziplinen handelt, was dem Paläontologen* als kurze Zeitspanne vorkommt, erscheint dem Biologen* als eine Ewigkeit. So sind etwa 100.000 Jahre keine allzu kurze Zeitspanne und genetische Veränderungen, die im Verlauf von 100.000 Jahre aufgrund des Wettbewerbs auftreten, können je nach Startpunkt, schnell und langsam erscheinen. Fakt ist, dass jede größere Veränderung über den gesamten Zeitraum von jedem noch so kleinen Vorteil vorangetrieben wird.

Falsifikationsindikator B

Der nächste Indikator ist, dass Fleisch und Gewebe keinen genetisch verwertbaren Eintrag in der paläontologischen Aufzeichnung hinterlassen. Ein Fossil kann eben keine Auskunft darüber erteilen, was sich etwa im neuralen Netzwerk eines Lebewesens abgespielt hat. Darüber ließen sich jedoch geringfügige, vorteilhafte Adaptionen physisch manifestieren. Manche Menschen haben individuelle, intellektuelle Vorteile ggü anderen, allerdings haben Pferde größere Köpfe. Aus paläontologischer Sicht hätten Pferde wohl ein leistungsfähigeres Gehirn, aus evolutionärer schon nicht mehr. Fossile Menschen erscheinen von außen gleich, die intellektuellen Nuancen lassen sich nicht mehr feststellen, phänomenale, wie Augenbrauenwülste, jedoch schon. Die Paläontologie kann nur Formen und die Morphologie von Lebewesen studieren und ist damit disziplinär limitiert.

Falsifikationsindikator C

Den dritten Indikator liefern Molekularbiologinnen*, die ua Gene untersuchen und nach den evolutionären Mechanismen und Mustern fragen. Paläontologen* können seither weder evidenzbasierte Gegenargumente oder naturwissenschaftlich haltbare Erklärungen vorbringen, die die These eines punktierten Gleichgewichts widerlegen.

Falsifikationsfazit als legistischer Ratgeber

Bei allen Überlegungen zu Schutzgutbeeinträchtigungen »Mensch und Umwelt« sind solche Falsifikationsindikatoren zu bedenken. Selbst eine anthropozentrische Sichtweise muss nicht zwangsweise eine normative Kurzsichtigkeit bedeuten. Während Schäden und Haftungen bereits dem wesentlichen Sinn nach zeitnah zu bewerten sind, bedürfen Vorteile bzw Fortschritte für die Menschheit durch biotechnologische Innovationen einer vorausblickenden Betrachtungsweise. Das Hinterlassen einer ökologisch intakten Umwelt für nachfolgende, noch nicht wahlberechtigte aber auch ungeborene Generationen, ist als oberstes Gebot der Menschenwürde und des Rechts auf Leben und körperliche Unversehrtheit anzusehen.[15]

DNA und die Notwendigkeit einer gesetzlichen Regelung

Chromosomen enthalten ua aufgewickelte DNA. Es gibt kleine Bereiche (ca 5%), in denen Gene codiert werden, denen großen DNA-Sequenzen gegenüberstehen (ca 95%), die nicht als Bausteine des Lebens codieren, sondern als Bedienungsanleitung, Handbuch bzw Steuerelemente fungieren. Auf den einzelnen Genen spielt sich dann auch noch die Epigenetik ab,[16] die bildlich auf den Genen sitzen. Bereits ein kurzer Blick auf die Epigenetik verdeutlicht, dass alles Leben letztlich Chemie ist und physikalische Prozesse über Leben und Tod entscheiden können.

Es ist längst bekannt, dass die DNA, deren Veränderung durch Menschenhand seit Jahrzehnten die argumentative Gefahrengrundlage für die Diabolisierung der klassischen GT bildet, in biologischen Entscheidungsprozessen eine nur sehr untergeordnete Rolle spielt.[17]

  1. Die DNA selbst bildet nur einen Puzzlestein und auch Gene werden vielfach missinterpretiert. Unzählige Faktoren, die auch nicht direkt im DNA-Code festgeschrieben sind, also unabhängig vom Genom sind, spielen auch für die Weitergabe von funktionellen Fähigkeiten an Tochtergenerationen entscheidende Rollen. Das GTR ist hier völlig überfordert. Eine legistische Antwort ist mit einem BSN-Recht zu geben.

Gene selbst sind nicht immer nur in einem Ausschnitt codiert, sondern codieren oftmals auch mehrere Bereiche der DNA-Teile desselben Gens. Sie können also einen Abschnitt aufweisen, der bspw für das erste Drittel eines Proteins codiert, gefolgt von einer langen Sequenz, die mit diesem Protein überhaupt nichts zu tun hat. Darauf folgt eine Sequenzcodierung für das nächste Drittel etc. Jeder der äußeren Abschnitte wird Exon[18], der Zwischenraum Intron[19] genannt. Ein Exon ist jener Abschnitt eines Gens, der nach dem Spleißen[20] übrigbleibt. Das Splicing ist ein bedeutsamer Schritt der RNA-Prozessierung und findet im Zellkern von Eukaryoten statt. Introns sind jene Regionen, die beim Spleißen herausgeschnitten und hernach abgebaut werden.

Bildergebnis für exon und intron

Abb 91: Prinzipieller Aufbau eines Gens mit Exons, Introns und 5’UTR sowie 3’UTR.[21], [22]

Abb 92: Schematische Darstellung eines Gens als ein Abschnitt auf der Doppelhelix einer DNA.[23]

Gene sind modular austauschbar und daher höchst flexibel. Dies gibt Ihnen sieben verschiedene Möglichkeiten der Exon-Kombination; sieben verschiedene Proteine ​​können entstehen. Unterschiedliche Spleißenzyme können somit zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen führen. Wir haben also verschiedene Elemente, die aus demselben basalen DNA-Bausatz erstellt werden, da unterschiedliche Spleißenzyme zu unterschiedlichen Lebenszeiten aktiviert werden.

  1. Das GTR basiert auf einer funktionellen Fehleinschätzung der Systematik von Genen und DNA und beruht auf einem veralteten Wissensstand.

Wissenschafter* kooperieren auf multi- und interdisziplinärer Basis, um entweder vorhandene biologische Systeme mit neudefinierten Funktionen auszustatten oder sogar neue Systeme artifiziell zu konzipieren. Hintergrund dieses Bestrebens ist auch die Idee der Entwicklung neuartiger lebender Organismen, wie sie bislang in der Natur zumindest noch nicht entdeckt worden sind.

Die moderne konvergierende BSN fußt als Querschnittdisziplin primär auf den Prinzipien der Bioingenieurwissenschaften, vereint jedoch raffinierte Arbeitsweisen der Molekularbiologie[24], der rekombinanten GT sowie der chemischen Synthese biologischer Bausteine.[25]

Indem der neue synthetische Ansatz darauf abzielt, mittels der Kombination von biologischen und synthetischen Strukturen bzw Entitäten, neuartige komplexe Systeme und Stoffe, wie polymere Moleküle, Organismen, Zellen oder Gewebe zu kreieren, wird aus einer klassischen Biologin* eine »Life-Designerin«* von neuartigen Molekülen, Zellen und Organismen.[26]

Trotz aller Euphorie, sind die engagierten Pläne primär noch visionärer Art, zumal deren Umsetzung noch nicht regelmäßig einwandfrei – sprich zuverlässig und replizierbar – erfolgt. Die Visionen der BSN-Forscherinnen* als Illusionen oder gar als Golem-Mythos abzutun, würde der Sache nicht gerecht. Bedenkt man, was bereits an BioBricks vorhanden und im Umlauf ist sowie die Vielzahl bereits erschaffener Organismen, so kann kein Zweifel aufkommen, dass die Menschheit wohl am Anfang einer Evolutionsphase sui generis steckt, mit dem feinen Unterschied, dass diese Entwicklung mit Sicherheit bloß eine mittelbar göttlich eingeleitete ist.

Die Dynamik hinter der Forschung ist immens, insb erweitert sie die weltweite Bewegung exponentiell, was allerdings auch die Gefahr mit sich bringt, dass sich mittlerweile Millionen Hobby-Biologen* innerhalb und außerhalb der »Open Research Communities«[27], größtenteils ohne Anleitung und Kontrolle, nicht bloß an der theoretischen Forschungsarbeit beteiligen, sondern experimentell tätig werden. Die Entwicklung und Anwendung neuer BSN-Verfahren verspricht einerseits Wunder, kann aber auch nicht rückführbare bzw wieder gut zu machende negative Auswirkungen auf die Umwelt und Natur haben.

Im Rahmen dieser Arbeit werden die juristischen Aspekte der BSN-Verfahren und DIY-Bio-Verfahren in Anlehnung an die »Grüne Gentechnik« untersucht, weshalb auch keine Darstellung der BSN in all ihren möglichen Facetten erfolgt.

Synthetisch

Der Begriff »synthetisch« bedeutet chemisch hergestellt, künstlich erzeugt bzw artifiziell zusammengefügt. IdR handelt es sich im Rahmen der Naturwissenschaften um chemische Verbindungsprozesse oder -verfahren auf molekularer Basis, allerdings wird der Begriff »Synthese« oftmals auch synonym für deren Resultat verwendet, nämlich das synthetisch hergestellt Produkt.

Biologie

Die Biologie als Teilgebiet der Naturwissenschaften, befasst sich mit lebenden Organismen (Lebensformen) und ist versucht durch Beobachtungen, Messungen und Berechnungen allgemeinen Gesetzmäßigkeiten aufzustellen, Spezifika der Fauna und Flora aufzuspüren, Taxonomien zu erstellen, zu ergänzen uvm.

Genetik im Überblick

Biotechnologisches und biologisches Detailwissen mit juristischer Deutung

Kap XVI. A. »Molekulargenetik für Juristen*«, S. XVI:2 f.

Kap XVI. D. »Genetik im Überblick«, S. XVI:2 ff;

Kap XVI. H. »GT vs NPBT vs BSN-Verfahren«, S. XVI:2 ff;

Kap XIX. »CRISPR/Cas-System«, S. XIX:2 ff

Kap XXIV. »Genome-Editing in der Pflanzenzüchtung«, S. XXIV:2 ff;

Kap XVIII. A. »Wissenschaftliche Entwicklung der SynBio«, S. XVIII:2 ff.

Genetik wird als Vererbungslehre bezeichnet, bei der die Übertragung von Erbgut einer Organismen-Spezies an ihre Nachkommen beobachtet wird. Um die Arten weitgehend konstant zu halten, müssen die gewisse Eiweiße (Proteine) unverändert bleiben. Damit dem so ist, muss die Bauanleitung für diese Eiweiße immer dieselbe sein.

Neue klassische Gentechnik: Methodik

Die heutige Gentechnologie will die in der DNA gespeicherten Erbinformationen in Organismen gezielt verändern, wofür mehrere sukzessive Arbeitsvorgänge nötig werden. Die Ausführungen erläutern ausschließlich die biotechnologischen Grundlagen der rechtswissenschaftlichen Abhandlung in Bezug auf die sog GE-Mutagenese-Verfahren. Andere BSN-Verfahren bleiben dadurch unberührt.

        1. Isolierung eines Gens

Um ein Gen zu isolieren, muss es erst einmal von der DNA losgelöst werden, wofür Restriktionsenzyme, die sog Cas-Proteine, eingesetzt werden. Sie sollen selektiv an prädeterminierten Basenfolgen ansetzen. Der DNA-Doppelstrang muss dabei aufgebrochen. und im Anschluss die DNA-Fragmente mittels sog Hybridisierung isoliert werden um letztlich mittels einer Neusynthese der modifizierten isolierten Gene mit enzymatischen und iwS auch chemischen Techniken umsetzen zu können.

        1. Aufklärung der Genstruktur

Über die in der Molekularbiologie und Bioinformatik unerlässliche und weitgehend automatisierte DNA-Sequenzanalyse kommt es auch zur Aufklärung der Genstruktur bzw der Signal-Strukturen der Genexpression und iwF die Festlegung der der Restriktionsloci der eingesetzten Enzyme.

        1. Vektorbasierte Insertion der Gene

Um einzelne/mehrere Gene in eine Zelle einschleusen zu können, bedarf es eines Vehikels. Es dient als DAN-Träger des isolierten, modifizierten und vom Wirtsgenom selbstständigen Replikons. Als solches kommen insb bakterielle ringförmiges, doppelsträngiges und extrachromosomales DNA-Moleküle (Plasmide) und pro- wie auch eukaryotische Viren in Betracht. Das Insertieren erfolgt über die DNA-Ligase. Das isolierte Gen wird in den »Spacer« eines aufgespaltenen Vehikels unter Nutzung der katalytischen Reaktion des Enzyms eingebettet. Im Ergebnis erhält man ein DNA-Molekül, das aus zwei DNA-Sequenzen (chimäre DNA). Die Sequenzen können artfremden, artverwandten oder artidenten Organismen stammen, was für die GVO-Beurteilung der GE-Verfahren im Rahmen des GTR von zentraler Bedeutung ist. Durch die Transformation wird der GV-Vektor Bestandteil des Empfängergenoms und kann somit auch auf Tochtergenerationen weitergegeben werden (Keimbahn) und zwar unterschiedslos, ob der Vektor als freies Plasmid in der Wirtszelle auftritt oder in die chromosomale DNA eingebettet ist. Die Neukombination und Insertion in eine Einzelzelle nennt man Transduktion. Die Absicht hinter der Vermehrung transduzierter modifizierter Zellen liegt in der Klonierung, also der genidenten Vervielfältigung. Da sich in Bakterien beinahe alle Gene klonen lassen, sind auch direkte Mikroinjektionen gem Art 2 Z 2 lit a) FRL iVm Anhang I A Teil 1 Z 2 zur FRL von sog »nackten Vektoren« in die Wirtszelle machbar. Sie sind nicht pathogen und können als DNA-Vakazine dienen und sind aber ineffizient, da sie nicht auf Dauer in der der Zielzelle expremiert werden können. Aus Aspekten der Sicherheit sind sie daher als unbedenklich einzustufen. Ein ges Unterbinden derlei Forschung wäre jedenfalls unangemessen.

      1. Techniken nach Anwendungsbereich

Die Herstellung von GVO erfolgt zumeist über zwei Methoden. In einem ersten Schritt wird durch Klonen eine rekombinante DNA erzeugt, die dann in einen Organismus eingeschleust wird. Dazu ist ein sog Vektor, der als Transmissionsvehikel in Form von Bakteriophagen oder Plasmiden zu verstehen ist, erforderlich; man spricht je nach Methode von Transfektion oder Transformation.

  1. Auch GE-Verfahren nutzen sequenzspezifische Endonukleasen.
      1. Chromosomen und Chromatide

Diese Bauanleitung ist in einem DNA-Sprachcode verfasst, der in der DNA der Chromosomen abgespeichert ist. Sie gehen aus dem Chromatin hervor und sind nur während der Zellteilung aufgetrennt. Während also die Chromosomen als Transportmittel für die Erbinformation zu sehen sind, beschreibt das Chromatin im Wesentlichen alles, was sich im Zellekern an funktionellem, basisch färbbarem Material wiederfindet.

Chromatin besteht aus:

  • Nukleosomen,
  • Spacer-DNA,
  • RNA und
  • Proteinen, die keine Histonen sind.

Chromatin wird, je nach Kondensation[28] zu Chromosomen und zwar vor der Phase der Mitose in Euchromatin und Heterochromatin unterteilt.

      1. DNA und RNA (DNS und RNS)

Der Unterschied von DNA und RNA besteht in Aufbau, Struktur und Funktion, wobei zahlreiche Gemeinsamkeiten bestehen.

DNA RNA
Zucker Desoxyribose Ribose
Aufbau der Nukleotiden Phosphat + Pentose + eine Base Phosphat + Pentose + eine Base
Basenpaare Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin Adenin, Cytosin, Guanin und Uracil
Struktur Doppelhelix (Doppelstrang) Einfachhelix (Einfachstrang)
Funktion Speicherung des Erbguts Multifunktional, abhängig vom Typ der RNA; z.B. Übertragung genetischer Informationen (mRNA)

Tab 38: Unterschied zw DNA und RNA[29], [30]

        1. Aufbau: DNA/RNA

Die DNA[31] ist eine Nukleinsäure, bestehend aus einzelnen Baukernen. Diese Bausteine nennt man Nukleotide. Sie sind als Polymere[32] Träger der genetischen Information aller Organismen. Viele Nukleotide (Makromoleküle) bilden eine Kette, die als Polynukleotid bezeichnet wird.

Polynukleotide können RNA[33] oder DNA sein; sie sind als sog Biomoleküle[34] Verbindungen von Organismen im chemischen Sinne und als solche in allen Organismen enthalten. Bei allen Lebewesen sind sie zugleich materielle Träger vererbbarer Erbinformation[35], wie auch bei einigen DNA-Virentypen[36] oder bestimmten RNA-Virentypen[37]. DNA liegt im Zellkern an Histone gebunden vor.

        1. Nukleotide als Baustein von DNA/RNA

Ein Nukleotid, der Grundbaustein von DNA und RNA besteht aus drei Bestandteilen:

  • eine Phosphorsäure,
  • einem Monosaccharid (Einfachzucker)
    • Glucose, Fructose und Galactose
  • eine heterozyklische Nukleobase (Nukleinbasen)
    • Adenin (A)
    • Guanin (G)
    • Cytosin (C)
    • Thymin (T)
    • Uracil (U).

Die vier Nukleinbasen (A, G, C, T) kommen in der DNA vor, während RNA die vier Basen (A, G, C, U) verwendet.

DNA und RNA divergieren somit in ihrer Zusammensetzung durch:

  • die Basen T (DNA) und U (RNA)
    • die Basen A, Gesetz und C sind Bestandteile von DNA und RNA;
  • und die Pentose (Zucker)
    • Desoxyribose (2-Desoxy-D-ribofuranose) bei DNA und
    • Ribose (D-Ribofuranose) bei der RNA.
          1. Makromoleküle: DNA/RNA

Vier andersartige Formen von Nukleotiden verknüpfen sich zu Nukleinsäuren, bilden also DNA- oder RNA-Makromoleküle.

Die Nukleotide verbinden sich durch kovalente Bindungen[38] zum Strang eines polymeren Biomoleküls; somit wird aus mehreren Nukleotiden ein Polynukleotid. Je drei Nukleotide bilden ein sog Triplett, und die Triplettfolge wiederum die Primärstruktur der DNA. Phosphat-Reste (Phosphorsäurediester-Bindungen) verbinden die Nukleotide miteinander.[39]

Abb 93: Doppelstrang – DNA.[40]

          1. Doppelhelix: DNA

Die Doppelhelix ist eine geometrische B-DNA-Konformation, die die Molekülstruktur der DNA als Doppelwindung (α-Helix) aus zwei gegenläufigen, antiparallelen Strängen verkörpert. Es bestehen zwei Typen, wobei für das juristische Grundverständnis lediglich das Wissen um den beschriebenen Typ 1 ausreicht. Typ 2 beschreibt eine sog »Doppelwendel«.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/36/TORUSA-3_Schraube_entlang_einer_Schraube.png/163px-TORUSA-3_Schraube_entlang_einer_Schraube.png

Abb 94: Links Typ 1[41] einer Doppelhelix und rechts Typ 2 (Doppelwendel) [42],[43].

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/b1/A-DNA%2C_B-DNA_and_Z-DNA.png/1280px-A-DNA%2C_B-DNA_and_Z-DNA.png

Abb 95: Modell einer Doppelhelix[44] ([45])

Die beiden Ketten verlaufen in entgegengesetzter Richtung. Eine läuft von 3‘ nach 5‘ (3‘ 5‘) und die andere von 5‘ nach 3‘ (5‘ 3‘) . Dem Phosphat-Ende 5‘ des einen Strangs liegt also jenes des 3‘ Strangs ggü.[46]

http://www.biologie-schule.de/img/dna1.gif

Abb 96: DNA Doppelhelix mit entgegengesetzter Richtung der 3′ und 5′ Enden.[47] ([48])

Das Zusammenspiel von Adenin mit Thymin sowie Cytosin mit Guanin ist nicht bloß kennzeichnend für die DNA-Doppelhelix, sondern für die phänotypische Charakteristik eines jeden Individuums ausschlaggebend.

      1. Einzelstrang: RNA

Bis auf wenige Ausnahmen tritt die RNA als Einzelstrang in Erscheinung.

Bildergebnis für RNA Einzelstrang

Abb 97: RNA-Einzelstrang und DNA-Doppelstrang[49], [50]

Wie in der obigen Abb zu erkennen ist, fehlt der RNA lediglich der zweite Strang der DNA, ansonsten erfolgt der Aufbau über Nukleotiden, die an einen einzelnen Strang (single-stranded) knüpfen. RNA spielt eine wesentliche Rolle bei der Proteinbiosynthese und zwar bei der Transkription und Translation.[51]

Nachfolgende RNA sind in der BioTech/SynBio/DIY-Bio bedeutsam:

  • „mRNA (messenger RNA) [Boten-RNA]
    • Transport der genetischen Information aus dem Zellkern zu den Ribosomen, dem Ort der Proteinbiosynthese;
  • tRNA (transfer RNA)
    • Transport von Aminosäuren aus dem Cytoplasma [auch Zytoplasma] zu den Ribosomen,
    • Hilfsmolekül bei der Proteinbiosynthese,
    • keine Codierung von genetischen Informationen;
  • rRNA (ribosomale RNA)
    • Aufbau der Ribosomen,
    • teils katalytische Aktivität,
    • keine Codierung von genetischen Informationen.“[52],[53], [54]
      1. Funktion: DNA/RNA

Die DNA enthält den kompletten Bauplan jeder Lebensform als Organismus iwS. Der Bauplan dient zugleich als Vorlage für deren Konstruktion (Gerüst) und beinhaltet alle Funktionen.

Die Funktion der RNA besteht vornehmlich in der Transkription von DNA auf die mRNA und in der Translation, also des Ablesevorgangs zur Proteinsynthese,[55] die als Übertragungsvorgang eine Transkription im Nukleus und eine Translation im Zellplasma umspannt. Während die zentrale Aufgabe von DNA das Übertragen genetischer Informationen ist, kann dies bei der RNA vorkommen, zumeist dient sie allerdings nur als Zwischenspeicher. Die Hauptaufgaben der RNA bestehen in der Umsetzung genetischer Informationen in Proteinen, der Proteinbiosynthese.

      1. DNA-Rekombinationstechniken

Um DNA-Rekombinationstechniken[56] in ihrer Tragweite und iZm BSN-Verfahren rechtswissenschaftlich einordnen zu können, muss man sich folgenden biologischen Vorgang, in simplifizierter Form, vor Augen halten:

Eine Synthese im biologischen Sinne bedeutet, dass RNA nach eine DNA-Vorlage (Matrize) transkribiert und zusammengebaut wird. Ein Gen wird dabei an einer spezifischen DNA-Sequenz transkribiert (übersetzt) und als RNA-Molekül reproduziert (Proteinsynthesevorgang). Die DNA-Sequenz dient als Kopiervorlage zur Synthese eines RNA-Strangs.

Die guideRNA, die bei der Anwendung der CRISPR-Cas9 Technik verwendet wird, ist ein rekombinantes Nukleinsäuremoleküle. Der Wortlaut des Anhang I A Teil 1 Z 1 zur FRL suggeriert indes, dass die Verwendung rekombinanter Nukleinsäuremoleküle begrifflich beinhaltet, dass ein Einbringen in das Genom und eine Vermehrung erfolgt, was im Falle der RNA jedoch nicht möglich ist.[57]

        1. Definition 1: DNA-Rekombination

Die DNA-Rekombination ist der Austausch von DNA-Strängen, um neue Anordnungen von Nukleotidsequenzen zu erzeugen. Die Rekombination erfolgt typischerweise, wenn auch nicht ausschließlich, zw den Regionen ähnlicher Sequenz und zwar durch das Schneiden und Synthetisieren von DNA-Segmenten; sie ist daher für die Erzeugung genetischer Diversität und für die Aufrechterhaltung der Genomintegrität von wesentlicher Bedeutung.

        1. Definition 2: DNA-Rekombination

„Unter Rekombination versteht man in der Biologie die Neuanordnung (Re-) von genetischem Material (DNA, RNA) in den Zellen und im engeren Sinne den Austausch von Allelen. Durch Rekombination kommt es zu neuen Gen- und Merkmalskombinationen. Rekombination und Mutation verursachen die genetische Variabilität innerhalb einer Population.“[58],[59], [60],[61]

      1. Synthetische Nukleinsäure

DNA und RNA sind die bekannten biologischen Aminosäuren und Nukleinsäuren. Daneben sind einige künstliche Nukleinsäurevarianten entwickelt und synthetisch hergestellt worden, deren Bausteine prima vista nicht als Ribonukleotide oder Desoxyribonukleotide zu erkennen sind:

  • „Phosphorthioat-Desoxyribonukleinsäure
  • Cyclohexen-Nukleinsäuren (CeNA)
  • N3′-P5′-Phosphoramidate (NP)
  • Peptid-Nukleinsäure = Peptide Nucleic Acid (PNA)
  • Verbrückte Nukleinsäure = Locked Nucleic Acid (LNA)
  • Tricyclo-Desoxyribonukleinsäuren (tcDNA)
  • Morpholino-Phosphoramidate (MF)
  • xDNA“ [62], [63]
  • Hachimoji-DNA

Der Begriff der synthetischen Nukleinsäuren kann bioidente bzw substanziell äquivalente Mutationen von in der Natur [biologisch!] vorkommenden Nukleinsäuren sowie völlig neu erschaffene, artifizielle Nukleinsäuren umfassen. Die bioidente Variante müsste aus dem GTR fallen, weil es sie eben auch auf natürliche [biologische!] Weise gibt, während die rein künstliche Variante wiederum weder eine Veränderung eines Organismus sein kann noch einen Eingriff in das Genom darstellt, womit das GTR bei rein positiver Auslegung nicht anzuwenden ist.

      1. Genetik der Bakteriophagen

Die für die DIY-Bio mit CRISPR/Cas9 fundamentalen genetischen Informationen, Erkenntnisse und Fortschritte der modernen BSN resultierten aus wissenschaftlichen Studien mit den E. coli-Phagen (E. coli T2, T4 und Lambda), wie sie auch Bestandteil der DIY-Bio-Kits sind.

Die Infektion mit einem einzigen Phagenpartikel führt binnen weniger Stunden zur Freisetzung abertausender Phagen aus der lysierten Zelles des Bakteriums, was zu Neuinfektionen führt. Der Umstand, dass der Zyklus so ertragreich und kurz ist, macht das System so effizient und damit so interessant für die SynBio-Forschung.

Der λ-Bakteriophage ist ein sog temperenter, was bedeutet, dass er vom jew Zustand der Wirtszelle abhängig ist; auch die Infektionsmultiplizität spielt eine wesentliche Rolle und ist der Schlüsselfaktor schlechthin.

So kann es zu zwei unterschiedlichen Zyklen mit divergenten Folgen kommen:

  • a) lytischer Zyklus
  • b) lysogener Zyklus
        1. Lytischer Zyklus

Der lytische Zyklus führt die Wirtzelle in den Zelltod, wobei dieser erst im letzten Infektionsstadium eintritt. Durch das Zerplatzen des Bakteriums werden sog virulente Viren freigesetzt und können neue Zellen befallen. Das lysierte Bakterium entlässt dabei zw etwa 100 und 200 Phagen, was als »burst size«[64] bekannt ist. Damit wird die Anzahl neugebildeter Virionen eines infizierten Bakteriums als Wirtszelle beziffert.[65], [66]

        1. lysogener Zyklus

Hier wird der lytische Zyklus reprimiert. Die Phagen-DNA wird vorübergehend in das Genom der Wirtszelle eingebaut, wobei diese nicht lysiert. Es handelt sich um einen sog lysogenen Infektionszyklus, bei der Phagen-DNA, die sich in das Chromosom der Bakterie hineinprogrammiert hat, vom Wirtsgenom weitervererbt wird, sprich mit der Bakterien-DNA repliziert wird.

Tragen E. coli-Stämme Prophagen in sich, sind sie gegen weitere Infektionen immun. Dieses bakterielle Immunsystem ist ein raffinierter, natürlicher bakterieller Virenschutz, auf dem das gesamte CRISPR/Cas9-System aufbaut, indem es sich diese adaptive Immunabwehr[67] zunutze macht. Der λ-Bakteriophage eignet sich dabei hervorragend als Vektor für bakterielle Zellen.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/f7/Cas9_Apo_Structure.png/220px-Cas9_Apo_Structure.png https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/96/Cas9_Anders_DNA_bound_structure.png/220px-Cas9_Anders_DNA_bound_structure.png
Cas9 in der ungebundenen Form (Apo-Form) Cas9 mit gebundener DNA

Abb 98: Cas9-Konformationen[68],[69]

    1. Doppelstrangbruch (DSB) in Pflanzen

Der DSB führt bei jedem lebenden Organismus zu gravierenden Gendefekten bzw sogar zum Zelltod. In Ermangelung eines zweiten, intakten DNA-Moleküls, mit Hilfe dessen der Schaden behoben werden könnte, muss ergo eine autosomatische Reparatur erfolgen. Die DSB sind va während der Meiose Ausgangspunkt für die Neuanordnung, der sog Rekombination[70], und ermöglichen die evolutionäre Diversion durch die Variation genetischer Informationen.[71]

Diesen DSB machen sich nun auch Methoden des GE, darunter insb das CRISPR/Cas9-System, zunutze. Die Mechanismen der pflanzlichen DSB Reparatur werden in den relevanten Passagen näher beschrieben.

    1. Genome-Editing (GE) – allgemein

GE ist ein Sammelbegriff mehrerer gentechnische Verfahren,[72] die allesamt zum Ziel haben, einzelne DNA-Bausteine der DNA (dsDNA) umzuschreiben bzw umzuprogrammieren. Die DNA-Sequenzierung erlaubt das Decodieren chemischer DNA-Moleküle und das Recodieren in digitale DNA-Sequenzen. Diese digitalen (binären) Codes lassen sich, vereinfacht ausgedrückt, am Computer umschreiben bzw -programmieren und über den Umkehrprozess, der DNA-Synthese, wieder in Biomoleküle umwandeln. Mit GE-Verfahren lassen sich uaa Erbanlagen gezielt verändern.

  • Mikroorganismen (Weiße Gentechnik),
  • bei Pflanzen (Grüne Gentechnik)
  • bei menschlichen Zellen (Rote Gentechnik) sowie
  • bei Tieren (Transgene Tiere).

Das Grundprinzip lautet immer:

  • Gezieltes Erkennen einer spezifischen DNA-Sequenz auf dem Chromosom;
  • Einsatz einer Nuklease;
  • DSB.

http://www.transgen.de/data/media/1631/1200x900f.jpg

Abb 99: Genome-Editing[73],[74])

Es gibt derzeit drei Hauptkategorien[75] des GE, bei denen SDN-Systeme angewandt werden, worunter auch das gegenständliche CRISPR/Cas9-System fällt.

Bis zur den GE-Verfahren sind klassische gentechnische Verfahren ungenau gewesen, weil der Einbringungsort (Zielort) der genetischen Information nicht exakt anzupeilen gewesen ist und Forscherinnen* auf »Trial & Error« angewiesen gewesen sind. Bis zu den ortsspezifischen GE-Verfahren hat man die veränderten Gene in einen Organismus eingebracht und im Nachhinein untersucht, bei welchem Organismus sich in welcher Versuchsreihe das veränderte Gen an der richtigen Stelle gebunden hat. Im Anschluss an ein transgenetisches Verfahren sind die geglückten Versuche herausgefiltert und aus diesen wiederum die Off-target-Gene mühsam herausgekreuzt worden. Im Zuchtverfahren sind iwF die bereinigten GVO wieder miteinander kombiniert worden, womit die Mendel‘schen Gesetze nicht außer Kraft gesetzt worden sind. Mit Hilfe des hochpräzisen GE-Verfahrens CRISPR/Cas9 können nunmehr Transgene punktgenau an jeder beliebigen Zielsequenz des DNA-Stranges insertiert werden.

Mit Ausnahme[76] zweier Verfahren werden beim GE zwei Tools[77] eingesetzt, nämlich die Genschere in biologischer Gestalt einer Nuklease und einen sog Tracer, also einen Lotsen der die Nuklease an die gewünschte Stelle des Genoms geleitet.[78]

Grundsätzlich wird mit dem GE-Verfahren versucht, eine präzise, zielgerichtete Alteration von DNA-Sequenzen in einer Zelle oder zumindest randomisierte Veränderungen ortsspezifisch zu bewirken. Das Verfahren beruht, wie noch in den nachfolgenden Kapiteln ausgeführt wird, auf dem, jedem lebenden Organismus zur Verfügung stehenden, zelleigenen DNA-Autoreparaturmechanismus, der mit Hilfe einer Nuklease (SDN) und/oder eins Oleonukleotid bzw aktiviert wird.[79]

GE ist aktuell die am schnellsten wachsenden BioTech der biomedizinischen Forschung. Das immense Potenzial revolutioniert die biologische Grundlagenforschung sowie das Bio-Engineering synthetischer Organismen (SynBio) in jedem nur denkbaren Anwendungsbereich[80], also nicht bloß die klinische Medizin.[81] GE-Technologien werfen nicht nur ethische Fragen auf, sondern beeinflussen die Gesellschaft und werden in den kommenden Jahren und Jahrzehnten das wirtschaftliche Potenzial ganzer Volksökonomien tragen. Die Schaffung neuer Arbeitsplätze hängt vom nationalen Verständnis des Wachstums des Feldes ab und sollte im Vergleich zum globalen restriktiv gehandhabt werden, so wäre der ökonomische Rückfall die unausweichliche Konsequenz. Es ist daher erforderlich die Herausforderungen und Chancen wie auch die Risiken und Gefahren exakt zu identifizieren und der aus der Ära der GT herrührende Voreingenommenheit, die die Auswirkungen der biotechnologischen Möglichkeiten prägen und die Entwicklung fehlenken könnte, mit aufgeklärter Aufgeschlossenheit zu begegnen.[82]

    1. CRISPR/Cas

Themenkomplex 170: CRISPR und CRISPR-assoziierte Cas-Systeme [S. XXXIII:2].

CRISPR/Cas findet Anwendung in der komplexen Veränderung des Genoms, was landläufig – aber unkorrekter Weise – als SynBio bezeichnet wird.

Die Funktionsweise der CRISPR/Cas-Systeme ist im Zuge der mikrobiologischen Grundlagenforschung entdeckt worden. Va mit Entstehen der neuen SynBio-Konzepte[83] ist der Einsatz von CRISPR/Cas auch für die DIY-Bio als anwendbares biotechnologisches Tool zugänglich geworden, was nicht gleichbedeutend damit ist, dass nur DIY-Biologen* neue GE-Verfahren nutzen. Sämtliche biowissenschaftlichen Disziplinen, einschließlich der Human- und Veterinärmedizin, der Zoologie, Biologie, Pharmakologie uvm greifen auf dieses Werkzeug zurück.

      1. CRISPR

CRISPR[84] sind sich wiederholender DNA-Sequenzen, die sog »repeats«, die im Genom unzähliger Bakterien und Archaeen (Archebakterien) vorkommen.

      1. Cas9

http://images.derstandard.at/2016/11/04/drucker.jpgCas9 ist eines von 40 unterschiedlichen Proteinen der Cas-Familie[85] und bindet als Enzym an CRISPR, was ihm auch seinen Namen verleiht, nämlich Cas als für das en Wort »CRISPR-associated«, also CRISPR-bezogen.

 

Abb 100: Der biotINK Gewebedrucker[86]

    1. GT vs NPBT vs BSN-Verfahren

Themenkomplex 171: Biogene Pflanzen und biotechnologische Züchtung [S. XXXIII:2].

Biotechnologisches und biologisches Detailwissen mit juristischer Deutung

Kap XVI. A. »Molekulargenetik für Juristen*«, S. XVI:2 f.

Kap XVI. D. »Genetik im Überblick«, S. XVI:2 ff;

Kap XVI. H. »GT vs NPBT vs BSN-Verfahren«, S. XVI:2 ff;

Kap XIX. »CRISPR/Cas-System«, S. XIX:2 ff

Kap XXIV. »Genome-Editing in der Pflanzenzüchtung«, S. XXIV:2 ff;

Kap XVIII. A. »Wissenschaftliche Entwicklung der SynBio«, S. XVIII:2 ff.

Bei der SynBio, die von Wissenschaftern* eher als Konzept als um eine eigenständige Disziplin verstanden wird,[87] werden ähnliche Methoden wie bei NPBT, insb Genomsynthese, GE und neuerdings auch die BE-Methode verwendet, allerdings werden nicht nur natürlich vorkommende Gene gezielt, gelöscht oder ausgetauscht, also isoliert und in eigene oder fremde Organismen eingefügt. Bei der SynBio iwS wird versucht, einen völlig neuen, verbesserten genetischen Quellcode zu schreiben, um Organismen zu verbessern. Mit der klassischen GT hingegen bemüht man die im Prinzipien Hoffnung und »trial and error«.

Werden keine Fremdgene transferiert, sollten NPBT, BSN-Verfahren jedenfalls losgelöst von der klassischen GT betrachtet und bewertet werden. Immer dann, wenn Gene auf synthetischem Wege gezielt miteinander interagieren sollen, um komplexe biologische Systeme artifiziell zu konstruieren, übernimmt die SynBio die zentrale Rolle und verdrängt Methoden der konventionellen, klassischen GT, aber auch der NPBT. Hier ist va auch eine Nähe zur submolekularen NanoTech gegeben. Die Multidisziplinarität der SynBio macht eine gesamtheitliche exakte Zuordnung zu einem Wissenschaftsbereich unmöglich.

Die unterschiedlichen DIY-Bio-Verfahren sind nicht immer voneinander abzugrenzen, viel mehr sind sie als interaktive System zu begreifen, weil sich va die BSN vieler Methoden, Werkzeuge und Verfahren bedient. Beide Disziplinen unterscheiden sich erheblich von der klassischen GT und zwar sowohl was die Verfahren als auch die Produkte in puncto Biosafety und Biosecurity[88] anbelangt. Eine definitorische Eingrenzung spielt für die Arbeitsprozesse von DIY-Biologen* und Syn-Biologen* letztlich keine Rolle, für die Rsp hingegen schon.

Für die vorliegende Untersuchung ist die Unterscheidung der klassischen GT und der BSN entscheidend.

Gentechnik SynBio
Technologie Lesen und analysieren der DNA Lesen, Schreiben und Synthetisieren von DNA
Systematik Trial and Error (Versuch und Irrtum) Programmierung (Software)
Verfahren Adaption und Modifikation von existierenden biologischen Systemen Design, Modulation und Konstruktion von (neuen) biologischen Systemen.

Tab 39: Paradigmenwechsel der Synthetischen Biologie.[89]

    1. Mutationsformen

Themenkomplex 172: Mutagenese [S. XXXIII:2].

Themenkomplex 173: Mutation [S. XXXIII:2].

Mutationen[90] im naturwissenschaftlichen Sinne sind erbliche Veränderungen der genetischen Information einer Zelle, die nicht durch Kreuzung zweier Organismen entsteht und einen „Mutantenphänotp hervorruft“ [91].

Sie können sog sprunghafte (spontane) Erbänderungen sein, als auf biologischem Wege während einer Zellreplikation stattfinden oder bewusst induziert, also extern mittels chemischer Stoffe oder UV-Strahlung in Gang gesetzt werden. Eine externe induzierte Mutation kann nunmehr auch über GE erfolgen. Welche Mutagenseformen in das GTR fallen, ist seit dem EuGH-Urteil (Rs C-528/16) vorläufig geklärt. Was gezielte MutageneseVerfahren im ges Sinne überhaupt sein sollen, bleibt zT weiterhin offen.[92] Aktuell zählt der Zeitstempel des Inkrafttretens der FRL iSe Versteinerungstheorie.[93],[94] Drei unterschiedliche Mutationstypen sind bekannt, wobei für die Untersuchung die Genmutationen von besonderer Bedeutung sind.

Mutationen können den

  • gesamten Chromosomensatz (große Mutation):
  • Chromosomenüberschuss oder Chromosomenmangel (extremste Form)
  • zB Trisomie 21, dreifach auftretendes 21. Chromosom
  • einzelne Chromosomen (große Mutation):
  • Chromosomen
  • Fehlen von Chromosomen (Deletion),
  • Überschuss an Chromosomen (Insertion) oder
  • Fehlanordnung von Chromosomen (Translokation) oa
  • bestimmte Gene (kleine Mutation):
  • Insertionen und Deletionen,
  • Punktmutationen und Inversionen

betreffen.

Vorab seien zwei Mutationsformen konzise dargestellt:

Abb 101: Charakterisierung von Mutationen.[95]

 

Mutationen im Detail

Themenkomplex 122: Mutation [S. XXXIII:2].

Um zu verstehen, warum die DIY-Bio mit BSN nicht immer ein gentechnischer Vorgang sein muss und wann welche genetischen Veränderungen überhaupt eine Gefahr für die Schutzgüter des GTR sein können, muss man über ein biologisches Basiswissen verfügen.

Nicht untermauern Rechtswissenschafter* ihr Auslegung von Normen des GTR mit faktisch falschen Behauptungen oder falsifizierten Thesen.

Naturwissenschafter* verbinden mit dem Begriff »Mutation« eine Modifizierung des Erbgutes,[96] wie sie bei allen Organismen spontan auftreten (können). Sofern sie in Gameten entstehen und auf die Nachkommen übertragen werden können, sind sie auch im Rahmen des GTR relevant. Mutationen sind für die Evolution unabdingbar. Sie verändern den Aufbau der DNA dauerhaft und wirken nachhaltig auf das Genom eines Organismus ein. Das Erbgut wird an Tochterzellen weitergegeben.[97]

DIY-Bio-Verfahren sind gametische und somatische Mutationen zu differenzieren.

Die hier relevantesten Mutationstypen lassen sich grob einteilen:

Punktmutation durch Gen-Substitution;

Deletionsmutation durch Gen-Löschung;

Insertionsmutation durch Gen-Einfügung;

Duplikationsmutation durch Gen-Verdopplung.

Die Inversionsmutation wird iaR der Chromosomenmutation zugeschrieben.

Mutation und Genomveränderung bilden die Vorlage für den Mutagenesebegriff und sollten va Rechtswissenschaftern* wesentlich mehr Kopfzerbrechen bereiten, als bislang.

Der blinde Fleck im toten Winkel des GTR ist nicht unbemerkt.[98]

Themenkomplex 172: Mutagenese [S. XXXIII:2].

Themenkomplex 173: Mutation [S. XXXIII:2].

Mutationen[99] sind also hereditäre Veränderungen der genetischen Information einer Zelle, die nicht durch Kreuzung zweier Organismen entsteht und einen „Mutantenphänotp hervorruft“ [100].

Sie können

  • sprunghafte (spontane) Erbänderungen sein, also auf biologischem Wege während einer Zellreplikation stattfinden oder
  • bewusst induziert sein, also extern mittels chemischer Stoffe oder UV-Strahlung in Gang gesetzt werden.

Eine externe induzierte Mutation kann nunmehr auch über GE erfolgen. Seit dem EuGH-Urteil (Rs C-528/16) sind nunmehr nur ungerichtete Mutagenseformen vom GTR ausgenommen.

Was hingegen gezielte Mutagenese-Verfahren im gesetzlichem Sinne überhaupt sein sollen, bleibt zT weiterhin offen.[101]

Aktuell zählt zur Beurteilung neuer Mutagenese-Verfahren der Zeitstempel des Inkrafttretens der FRL iSe Versteinerungstheorie.[102],[103]

Drei unterschiedliche Mutationstypen sind bekannt, wobei für die Untersuchung die Genmutationen von besonderer Bedeutung sind.

Mutationen können den

  • gesamten Chromosomensatz (große Mutation):

Chromosomenüberschuss oder Chromosomenmangel (extremste Form)

^^zB Trisomie 21, dreifach auftretendes 21. Chromosom

  • einzelne Chromosomen (große Mutation):

Chromosomen

Fehlen von Chromosomen (Deletion),

Überschuss an Chromosomen (Insertion) oder

Fehlanordnung von Chromosomen (Translokation) oa

  • bestimmte Gene (kleine Mutation):

Insertionen und Deletionen,

Punktmutationen und Inversionen

betreffen.

Vorab seien zwei Mutationsformen konzise dargestellt:

Abb 101: Charakterisierung von Mutationen.[104]

Mutationsformen

https://www.spektrum.de/lexika/images/biok/f2f500_w.jpg

Tab 40: Übersicht von Genmutationen[105],[106]

Somatische Mutation

Somatische Mutationen sind Modifikationen in all jenen Körperzellen, die keinen direkten Einfluss auf die Fortpflanzung haben, sich also in Eigenschaften und Merkmalen der Pflanze niederschlagen.

Die Übertragung der somatischen Mutation auf körpereigene Zellen im Rahmen der Zellteilung ist möglich und in der Forschung zumeist auch gewollt (Krebstherapie). Eine direkte Übertragung der somatischen Mutation auf Nachkommen (Vererbung) ist ausgeschlossen. Eine indirekte Einflussnahme auf Nachfolgegenerationen bzw auch die Biodiversität ist nie völlig auszuschließen, aber für die rechtliche Einordnung der DIY-Bio ohne Belang.

Gerade ungerichtete Mutagenese-Verfahren, die als zulässige Ausnahmeverfahren des GTR gelten,[107] können zu ungewollten Folgewirkungen und Kollateralschäden führen,[108] woher auch die Ablehnung der GT herrührt.

Generative Mutation oder Keimbahnmutation

Generative Mutation sind genetische Veränderungen, die in den Keimzellen auftreten, also in Eizellen oder in den Zellen, die Spermien produzieren, können auf Nachkommen übertragen werden.

Letale Mutationen

Letale Mutationen töten einen Organismus unabhängig von seiner jew Lebensphase in jedem Falle ab, weil lebensnotwendige Gene gelöscht ober abgeschaltet werden, deren Fehlen die Zelle nicht kompensieren kann.

Konditional-letale Mutationen

Konditional-letale Mutationen töten verändern zwar Veränderung das Genprodukt eines Organismus, tötet diesen aber nur bei bestimmten Wachstumsbedingungen ab, machen sich hingegen unter normalen Lebensbedingungen nicht bemerkbar.

Loss-of-function-Mutationen

Das Genprodukt wird durch eine Mutation im Gen funktionslos. Ist der Funktionsverlust vollständig, spricht man von Nullallel oder einem amorphen Allel. Loss-of-function-Mutationen sind meistens rezessiv, da ein anderes Allel den Funktionsverlust eines Gens auffangen kann

Gain-of-function-Mutationen

Bei der Gain-of-function-Mutation erhält das veränderte Genprodukt eine neue molekulare Funktion oder ein neues Muster der Genexpression. Die Funktionsgewinnmutationen sind fast immer dominant (sichtbarer Phänotyp) oder semidominant.

Der Zugewinn an Genaktivität und als hypermorph bezeichnet. Entsteht letztlich ein völlig neuer Phänotyp, so wird das Allel als neomorph beschrieben. Wenn ein Funktionsgewinn-Allel einen Phänotyp nur im homozygoten Zustand zeigt, spricht man von einer sog rezessiven Funktionsgewinnmutation.

Neutrale Mutationen

Neutrale Mutationen können den Phänotyp verändern, haben aber für den Organismus keine Fitnesskonsequenzen.

Stille Mutationen

Stille Mutationen haben grds keine Folgen für den Organismus, dennoch kann es zu pathogenen Symptomen kommen, wenn etwa ein modifiziertes Codon zu einer gesteigerten Translationsgeschwindigkeit führt. Als Folge können Fehfaltungen des Proteins auftreten.

Genommutationen

Genommutationen oa numerische Chromosomenaberrationen gelten als großer Mutationstyp. Hier ist der gesamte Chromosomensatz betroffen, weil Chromosomenzahl verändert wird. Es herrscht infolge der Mutation entweder Chromosomenüberschuss oder ein Chromosomenmangel. Als eine extreme Form ist bspw Trisomie 21 bekannt, bei der das 21. Chromosom dreifach auftritt. Die Genommutationen werden iwF der Vollständigkeit halber nur äußerst verknappt erläutert.

Euploidie

Es kommt zu einer ganzzahligen Vervielfältigung (Vervielfachung) ganzer Chromosomensätze in allen Zellen des betroffenen Organismus. Sie tritt zumeist bei Kulturpflanzen auf, was sie grösser, stärker und damit auch resistenter gg Krankheiten macht.[109],[110] Eine bei Pflanzen häufig auftretende Unterform ist die der Polyploidie, bei der Organismen mehr als zwei Chromosomensätze aufweisen, also mindestens triploid sind.

Endopolyploidie

Hier findet eine somatische Vervielfältigung (Vervielfachung) des Chromosomensatzes in Gewebestrukturen statt, wobei es idR zu einer gesteigerten Proteinsynthese kommt.

FB 203: Endopolyploidie

Leberzellen von Ratten als Säuger (tetraploid): 4n = 12

Wurzelzellen des Spinats: (tetraploid bis oktaploid):: 4n = 12, 8n = 24 [111],[112]

Aneuploidie

Die Aneuploidie (=numerische Chromosomenaberration) ist dadurch gekennzeichnet, dass entweder einzelne Chromosomen gänzlich fehlen (Hypoplodie) oder Chromosomen zusätzlich vorhanden (Hyperploidie) sind.[113],[114]; [115],[116]

Chromosomenmutationen

Themenkomplex 174: Rekombination [S. XXXIII:2].

Bei Chromosomenmutationen (= strukturelle Chromosomenaberrationen) werden einzelne (ein oder mehrere) Chromosomen und damit zugleich der Chromosomenbau verändert. Das Genom bleibt trotz der Abänderung bzw des Defekts als solches grds funktionstüchtig. Man spricht hier auch von Strukturmutationen, die auf verschiedene Arten vorkommen:

File:Crossover genes.svgDuplikation,

Deletion,

Inversion,

Insertion,

Isochromosomie-Bildung und

Translokation.

Die Ursachen aller Mutationen liegen in »crossing over«, das zw nicht homologen Chromosomen erfolgt. Es findet also eine Mutation durch Stückaustausch zw mütterlichen und väterlichen Chromosomen während der Meiose statt.

Abb 102: Crossing-over.[117]

Duplikation

http://www.embryology.ch/images/kimgchromaber/02abweichende/k2e_duplikation.gif Bei der Strukturveränderung durch Duplikation kommt es zu einer Verdopplung einzelner Chromosomensegmente durch das »crossing over« an nicht homologen Stellen.[118],[119] Sie wird zT auch als eine »partielle Trisomie« verstanden, weil (siehe Abb links) drei Kopien der Gene im betreffenden Chromosomensegment vorliegen. Die dadurch bedingte falsche Genanweisung kann einen oder mehrere Defekte des Organismus auslösen.

Abb 103: Schematische Darstellung einer Duplikation.[120]

Deletion

http://www.embryology.ch/images/kimgchromaber/02abweichende/k2c_deletion.gif Es kommt zum Abbau eines Chromosomenabschnitts durch Stückausfall,[121] was bedeutet dass sie in jedem Chromosom auftreten kann. Je größer das fehlende Chromosomenelement ist desto wahrscheinlicher ist es, dass auch Genbindungen abhanden gehen. Der Stückverlust am Ende eines Chromosoms nennt man Defizienz.[122]

Abb 104: Schematische Darstellung einer Deletion.[123]

Inversion

Bildergebnis für chromosomen inversion http://www.embryology.ch/images/kimgchromaber/02abweichende/k2f1_inversionperi.gif Bei der Inversion kommt es zur Umkehrung eines ganzen Chromosomensegmentes innerhalb eines Chromosoms und zwar durch kreuzweisen Vereinigung der Bruchenden. Wie in den Abb links zu erkennen ist, wird Bruchstück in umgekehrter Form eingesetzt. Die Information bleibt idR erhalten. Ist das Zentromer mitbetroffen, handelt es sich um eine perizentrische Inversion, andernfalls um eine parazentrische Inversion.[124]

Abb 105: Schematische Darstellung einer Inversion.[125]

http://www.embryology.ch/images/kimgchromaber/02abweichende/k2g_insertion.gifInsertion

Bei der Insertion wird ein Chromosomen-Bruchstück an einer anderen Chromosomen-Stelle platziert bzw insertiert und fusioniert dort. Auch hier kann der Insertionsträger phänotypisch unauffällig bleiben, da die Information vorhanden bleibt.

Abb 106: Schematische Darstellung einer Inversion.[126]

Bildung von Isochromosomen

http://www.embryology.ch/images/kimgchromaber/02abweichende/k2h_Normochromosomie.gif http://www.embryology.ch/images/kimgchromaber/02abweichende/k2h1_Isochromosomie.gif Unter Isochromosomen versteht man metazentrische Chromosomen, die zwei homologe Arme (p-Arm und q-Arm) aufweisen. Die Teilung erfolgt nicht der Längs, sondern quer zum Zentometer. Wie in der linken Abb zu erkennen ist, hat sich ein X-Chromosom ordnungsgemäß zu zwei identischen Tochterchromosomen der Länge nach geteilt, während in der rechten Abb die Querteilung zu zwei Isochromosomen X (Iso) erfolgt ist. Die Anomalie ist durch die Bildung zweier kurzer oder zweier langer Arme gekennzeichnet.

Abb 107: Schematische Darstellung einer Isochromosomie-Bildung.[127]

Wenn jedoch X-Chromosomen als Isochromosomen vorliegen, bei denen ein p-Arm lang (partielle Trisomie) und der q-Arm kurz (partielle Monosomie) ist, so entspricht der Phänotyp einem Turner Syndrom.[128]

Einfache Translokation

Als einfache Translokation wird die Übertragung eines Chromosomenbruchstücks auf ein heterologes Chromosom verstanden. Die Telomere versiegeln dabei beide Bruchenden.[129]

Balancierte Translokation

Ein Chromosom bzw ein Chromosomenabschnitt wird auf ein anderes Chromosom übertragen (transloziert), die Gesamtmenge (Gesamtzahl) des Erbguts bleibt unverändert. Es bleibt somit das Gleichgewicht aufrecht (balanciert) und die Translokation hat idR keine relevanten Auswirkungen auf die phänotypischen Merkmale bzw den Träger selbst. Allerdings kann sich der Defekt auf Nachkommen Auswirken, nämlich dann, wenn diese nicht mehr Träger einer balancierten Translokation sind und es zu einer unbalancierten Translokation kommt. Eine balancierte Translokation kann also im Zuge der Befruchtung zu einer Translokations-Trisomie führen.

Unbalancierte Translokation

Bei der klinisch bedeutendsten Translokation kommt es im Verlauf der meiotischen Zellteilung mit einer balancierten Translokation dazu, dass Keimzellen entweder mit doppelt vorhandenen oder mit gänzlich fehlenden bzw Chromosomensegmenten entstehen (Verlust oder Zugewinn). Die unbalancierte Translokation entsteht durch die Befruchtung einer solchen Keimzelle und jedenfalls geht Chromosomenmaterial verloren, was bedeutet, dass die Menge an Erbinformationen sich verändert. Häufig kommt es, wie exemplarisch aaO beschrieben,[130] zu einer (partiellen) Monosomie bzw (partiellen) Trisomie des betroffenen Chromosomenabschnittes.

FB 204: Translokation

Die gebildeten Keimzellen sind bei einer Translokation von 5 auf 13 und zwar in einer ausgewogenen Abfolge. Die gebildeten Keimzellen des Trägers sind 5 auf 13, 5‘ auf 13, 5 auf 13‘ und 5‘ auf 13‘. Kommt es zu einer Verbindung mit einer gesunden (normalen) Keimzelle, so wird 5‘ mit 13‘ erneut zum Träger einer balancierten Translokation. Im ungünstigen Fall jedoch, kann die strukturelle, nicht numerische Chromosomenaberration mit einer partieller Deletion am kurzen Arm eines Chromosoms 5 einhergehen: die Verbindung 5‘ mit 13 führt dann zum sog Cri-du-chat-Syndrom (CCS oder auch Katzenschrei-Syndrom genannt).[131]

Reziproke Translokation

http://www.embryology.ch/images/kimgchromaber/02abweichende/k2i_translokrez.gif Bei der reziproken Translokation werden zwei abgebrochene Chromosomenstücke reziprok ausgetauscht, also am andern heterologen Chromosom angefügt (transloziert). Es findet eine sog Fragment-Übertragung statt. Die Folgen sind meistens für den Träger* nicht spürbar, doch treten Komplikationen bei der Meiose auf.[132]

Abb 108: Schematische Darstellung einer reziproken Translation.[133]

Robertson-Translokation

http://www.embryology.ch/images/kimgchromaber/02abweichende/k2k_Roberttrans.gif Bei dieser Sonderform fällt an den akrozentrischen Chromosomen (meist 14 und 21 bzw 22) der kurze Arm weg und eine zentrische Fusion t (14q21q bzw 14q22q) der beiden langarmigen Restchromosomen findet statt.

Abb 109: Schematische Darstellung einer Robertson-Translokation.[134]

Genexpression und DNA-Replikation

Als Genmutationen werden die Veränderungen eines einzelnen Gens bezeichnet, wobei die Chromosomengestalt erhalten bzw ein und dieselbe bleibt. In concreto wird der DNA-Code eines Gens verändert, woraufhin ein Protein nicht mehr produziert bzw nur noch falsch synthetisiert wird und dem Organismus nicht mehr zur Verfügung steht. Gene werden bei der Replikation verdoppelt und bei der Transkription in mRNA kopiert.

Bildergebnis für mRNA

Abb 110: mRNA Codon[135] ([136])

Die mRNA wiederum wird im Zuge der Translation in ein Protein übersetzt, indem immer drei Basen (Basen-Triplett) in eine Aminosäure translatiert werden. Je nach Auftrittsort der Genmutation wird sie als somatische oder gametische bezeichnet. Während die somatische Genmutation die Körperzellen betrifft (Mitose), geht es bei der gametischen (Meiose) um die Keimzellen.

Fehler können bei der Replikation oder Transkription auftreten bzw durch externe Stoffe, sog Mutagene, ausgelöst werden.

DNA-Replikation

Bei der DNA-Replikation wird die DNA dupliziert, ein Vorgang, der in drei Phasen erfolgt. Es gibt einige Unterschiede zw Replikationen bei Prokaryoten und Eukaryoten, die für den juristischen Kontext vernachlässigbar sind.

Als wichtigste Unterschiede sind zu nennen:

Das sog »proofreading« findet nur bei Eukaryoten statt

Der Replikationsprozess ist bei Eukaryoten wesentlich langsamer, was tlw durch mehrere »origins« ausgeglichen wird; dh mehrere Replikationsprozesse werden zugleich angeregt (Initiationsphase).

Bei Eukaryoten ist die DNA stärker verdichtet.

Terminale Sequenzen sind bei Eukaryoten bisher nicht bekannt (Terminalphase).

Bei Eukaryoten sind an den Telomeren sind keine 3‘-End-Nukleotide vorhanden, womit eine Synthese an den Enden unmöglich ist und daher nicht vollständig abgeschlossen werden kann. Es kommt im Zuge jeder Chromosomenverdopplung zur Verkürzung der Telomere am 5′-End-Nukleotid eines jeden Tochterstranges; man sieht darin ein genetisches Indiz für den Alterungsprozess von Organismen (Terminalphase).

Als Nachsatz sei erwähnt, dass bei Keimbahn- und Stamm- und einigen Tumorzellen die Telomerase als Kompensationsenzym hins der Verkürzung der Telomere entdeckt worden ist, was gerade die Forschungsarbeit mit CRISPR/Cas9 beflügelt. F&E an menschlichen Embryonen sind längst kein Geheimnis mehr, sondern Bestandteil zahlreicher internationaler Publikationen.

Initiationsphase: Replikationsursprung (origin of replication)

Am Startpunkt der Replikation wird die koaxial verwundene DNA-Doppelhelix, die ähnlich einer verdrehten Strickleiter (DNA-Doppelhelix) ist, in zwei einzelne gleisartige Stränge entwunden. Für diesen Vorgang ist die Topoisomerase zuständig. Nun kann die Helikase die beiden mit H-Brücken (Wasserstoffbrücken) verbundenen Stränge entlang des Stranges von 3‘ nach 5‘ enzymatischen aufbrechen; die Spaltstelle wird Replikationsgabel genannt. Es entsteht eine sog Replikationsblase mit zwei Replikationsgabeln, wobei beide als Mutterstränge zur Vorlage für den Duplikationsvorgang dienen. Die Einzelstränge werden durch Proteine gebunden, die die Replikation erleichtern. Die Vorlage besteht aus einem Leitstrang (3‘ 5‘) und einem Folgestrang (5‘ 3‘). Man nennt den Vorlagestrang auch »codogener Strang«, weil er für die mRNA codiert und »anstisense strang«,[137] weil die mRNA komplementär zur codierenden DNA ist.

DNA replication de.svg

Abb 111: Replikation bei Eukaryoten.[138] ([139])

Image description

Abb 112: Replikation bei Prokaryoten.[140]

Elongationsphase (Verlängerungsphase)

Da nun die DNA-Stränge freiliegen, können die Polymerasen beginnen, die Tochterstränge zu synthetisieren. Sie brauchen jedoch einen sog Primer, der ihnen den Ausgangspunkt weist. Diese Primer werden vom Primase-Enzym hergestellt, bestehen aus maximal 30 RNA-Nukleotiden und enthalten die Base Uracil. Sie werden an einem ungebundenes 3‘-OH-Ende des Mutterstrangs befestigt, um an das komplementäre Desoxynukleotide andocken zu können. Daher synthetisiert an den beiden Matrizensträngen im ersten Schritt eine Primase einen RNA-Primer, der das freie 3‘-OH-Ende zur Verfügung stellt. Diesen Vorgang nennt man »primer annealing«. Oben ist die antiparallele Orientierung abgebildet.

Es kommt an den komplementären Matrizensträngen zu diametral entgegengesetzten und divergent verlaufenden Replikationsmechanismen. Da ja die DNA-Polymerase nur von 5‘ 3‘ repliziert, müssen folglich die beiden parentalen DNA-Stränge gesondert und getrennt voneinander abgearbeitet werden. Die Polymerasen fügen iwF an jedem einzelnen Nukleotid das passende Gegenstück an. Die Nukleotide befinden sich bereits freiliegend im Zytoplasma der Zelle und gelangen durch Kernporen in den Zellkern. Stabile Bp über H-Brücken lassen sich nur über Partnerschaften von Thymin und Adenin (TA, AT) sowie Guanin und Cytosin (GC, CG) herstellen.[141] Da Polymerasen ja vom 3‘ 5‘ entlang der Mutterstränge laufen, bauen sie die Tochterstränge in umgekehrter Richtung auf. Das Synthetisieren findet also von 5‘ 3‘ statt.

Beim Leitstrang[142] wandert die Helikase der DNA-Polymerase voran, beide jedoch in dieselbe Richtung; die Primase setzt in der Initiationsphase einen einzigen RNA-Primer an 3‘-Anfang des Strangs, was als »einmaliges Priming« bezeichnet wird.

Beim Folgestrang[143] ist der Synthetisierungsvorgang komplizierter, da er ja 5‘ 3‘ verläuft; dh Helikase und Polymerase driften auseinander, wobei auch der Tochterstrang entgegengesetzt läuft. Die Polymerase muss sich also in die Gegenrichtung der Aufspaltung durchschlagen, der Folgestrang hat ergo diskontinuierlich zu entstehen. Während also die die Helikase von 5‘ 3‘ spaltet, synthetisiert die Polymerase von 3‘ 5‘. Diese Paradoxie wird dadurch gelöst, dass die Primase Lücken offenlässt, ehe ein RNA-Primer an den Mutterstrang gesetzt werden kann. Die Polymerase synthetisiert diese Lücke während ein neuer Primer in die Nähe der Replikationsgabel gesetzt wird, zu dem die Polymerase wieder zurückspringt, um mit dem Synthetisieren fortzufahren. Dieser diskontinuierliche Schleifen-Prozess wiederholt sich solange, bis der Folgestrang fertiggestellt ist. Die einzelnen Lückenfragmente werden in der biochemischen Terminologie »Okazaki-Fragmenten« genannt.

Terminationsphase

Das Enzym »RNase H« entfernt nur alle auf den Tochtersträngen verbliebenen Primer, woraufhin eine DNA-Polymerase diese Primerlücken wiederum mit komplementären DNA-Nukleotiden schließt. Zuletzt verknüpft[144] die Ligase die Okazaki-Fragmente auf dem Tochterstrang des Folgestrangs und schon sind zwei komplett neue DNA-Helices sind entstanden.

Für die juristische Frage ist der Terminationsprozess von erheblicher und in puncto GTR sogar von entscheidende Bedeutung, weil auch bei einem GE-Prozess die Primerlücken entfernt werden und somit alle Spuren der künstlich herbeigeführten Mutation, wie etwa mit CRISPR/Cas9, verwischt werden. Das künstlich veränderte Produkt ist nicht von natürlich [biologischen!] vorkommenden Mutationen zu unterscheiden. Hier manifestiert sich die methodisch unterschiedliche Auslegungspraxis (produkt- oder prozessbezogen) des GTR.

Enzyme replizieren aus einer DNA zwei neu identische DNA, bestehend aus jew einem alten und einem neuen Strang. Somit ist schlüssig nachvollziehbar, warum im Zuge der Replikation nicht korrigierte Fehler des alten Strangs in die neue DNA transkribiert werden und somit Mutationen entstehen.

Proteinbiosynthese

Es geht um die Synthese von RNA auf Basis eines DNA-Codes, der als Bauanleitung dient, also der Proteinbiosynthese. Ein spezifischer DNA-Abschnitt eines Gens wird abgelesen, um neue RNA-Stränge zu synthetisieren, ergo neue RNA-Moleküle zu reproduzieren.

Transkription

Die DNA befindet sich bei Eukaryoten im Zellkern,[145] allerdings läuft die Proteinbiosynthese an den im Zytosol gelegenen Ribosomen ab. Die Kopie der DNA muss also aus dem Zellkern (Nukleus) ins Zytoplasma transportiert werden. Die Transkription startet am 3‘ Ende des Strangs und endet am 5‘ Ende und erst im Anschluss an die Replikation können Codons in eine neue DNA-Schrift transkribiert werden. Die Kopie, die in Folge der Transkription entsteht, wird mRNA (mRNS) genannt; sie übernimmt die Botenfunktion, liefert also die Informationen aus dem Zellkern der Chromosomen herausbefördert. Die mRNA-Polymerase liest am »antisense strang« entlang die Nukleotide ab und setzt ihnen, wie zuvor beschrieben, ein anderes ggü und fügt die Bp »A-T« und »C-G«, die zu RNA zusammen. Einem Nukleotid am »antisense strang« wird ein Nukleotid gegenübergesetzt und zwar in den Paarungen Adenin-Uracil, Thymin-Adenin, Cytosin-Guanin und Guanin-Cytosin.

Auf der RNA entspricht das Uracil dem Thymin der DNA.

Der »sense strang« ist der gegenläufige Strang, wie aus dem Replikationsverfahren bekannt (Leitstrang und Folgestrang), allerdings spielt er bei der Transkription eine untergeordnete Rolle. Der »sense strang« stellt den Promotor und den Terminator in Form von Nukleotid-Sequenzen zur Verfügung, die der RNA-Polymerase den Anfangs- (start) und Endpunkt (stop) anzeigen. Genau hier setzen sowohl das CRISPR/Cas9-Verfahren als auch die juristischen Schwierigkeiten an. Die Nukleotid-Sequenzen werden nämlich nicht auf die RNA übertragen, sondern lösen sich gemeinsam mit der RNA Polymerase von der DNA, die sich wieder aufwickelt und verdichtet.

Weil also ein Teil der DNA-Basen ungepaart vorliegt, müssen nun neue, freie RNA-Nukleotide mit ihnen gepaart werden.[146] Die Transkription hat also die Kopie eines entwundenen DNA-Stranges im Zuge der Replikation bereitzustellen. Das Prinzip der komplementären Basenpaarung bedingt, dass alle Nukleotide nach und nach bei einem Strang eingefügt und mit dem sog Rückgrat verbunden werden.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f7/DNA_transcription.jpg

Abb 113: DNA Transkription.[147], [148]

Wie an obiger Abb zu sehen ist, liegen die DNA-Basen des »DNA-antisense strand« (CATG), der als zur RNA komplementärer Strang von 3′ 5′ verläuft, nun frei. An den freiliegenden Basen knüpfen nun Basen freier RNA-Nukleotide (GUAC) an. Diese Nukleotide verketten sich zu einem mRNA, der sich nun an den »DNA-antisense strand« andockt.[149] Eine neue DNA-Sequenz ist nun entstanden, die mit Ausnahme des »U« statt »T« die gleiche Basenreihenfolge aufweist. Die RNA-Polymerase setzt den Prozess in gleicher Weise weiter fort. Die Transkription ist also die Produktion RNA Moleküls aus einem Strang, wobei der »antisense strang« als Matrize dient. Die Nomenklatur ist in der Fachwelt uneinheitlich, dazu kommen noch sprachliche Differenzierungen. Daher wird in dieser Arbeit der Begriff »sense strand« für einen DNA-Strang der von 5‘ 3‘ verläuft und »antisense strand« für die umgekehrte Richtung verwendet. Sollte ein Strang als »sense strand« fungieren, jedoch in die gegengesetzte Richtung verlaufen, wird diese Umkehrung mit einem »reverse« gekennzeichnet.

Weil aber das Enzym nur in eine Richtung arbeiten kann, kommt es dazu, dass erst der Führungsstrang durchsynthetisiert wird. Hernach wird der andere Strang in Fragmenten kopiert und im Anschluss daran die beiden Stränge wieder verbunden. Die Replikation hat in einem nur wenige Minuten umfassenden Zeitfenster zu erfolgen, was bedeutet, dass den Enzymen nur eine geringe Zeitspanne zur Verfügung steht, Basen-Fehlpaarungen[150] aufzuspüren und zu reparieren, also das falsche Nukleotid herauszuschneiden und das richtige wieder einzusetzen. Fehler bei der Replikation treten häufig zwar auf, dennoch kommt es bei der humanen »RNA Polymerase II« nur sehr selten zu DNA-Mutationen, weil der Reparaturmechanismus als Korrekturfunktion,[151] idR hervorragend funktioniert und falsche Ribonukleotide nur selten tatsächlich eingebaut bleiben.

„In der Regel werden veränderte Basen jedoch in der Exzisionsreparatur einzeln oder zusammen mit einem Abschnitt der Nukleotidsequenz um die Schadstelle herum entfernt und die Lücke aufgefüllt.“[152],[153]

Geschieht dem nicht,[154] bleibt ein falsches Bp bestehen, womit sich sowohl die mRNA als auch die Bestandteile des Proteins ändern können. Allerdings fallen Mutationen eines einzigen mRNA-Moleküls unter tausenden nicht ins Gewicht. Bei Viren handelt es sich um eine einfache RNA Polymerase ohne »proofreading«, weshalb es unentwegt zu Virenmutationen kommt. Ein Faktum, das die Bekämpfung von Viren und -stämmen immens erschwert, der CRISPR/Cas9 jedoch zugutekommen könnte.

Die sog Arbeitskopie ist also eine mRNA, die dann von Ribosomen in ein Protein translatiert wird. Noch ist nicht die DNA-Transkription nicht bis in letzte Detail erforscht und tlw ungeklärt. Was man heutzutage weiß ist, dass nicht die gesamte Zell-DNA dupliziert und repliziert wird, sondern lediglich das sog Operon, das bei CRISPR/Cas9 eine große Bedeutung hat.

Ein Operon beschreibt eine Gruppe zusammengehöriger Gene, nämlich:

  • einen Promotor,
  • einen Operator bzw mehrere Operatoren sowie
  • Struktur-Gene.

Diese kleinste funktionale Einheit der DNA kann den Transkriptionsprozess regulieren, also an- oder abschalten.[155] Sog Promotoren[156] (positive Regulation), die sich am Anfang eines Gens befinden, aktivieren Prozess der Enzymproduktion (RNA-Polymerase), der an die DNA bindet, um den Transkriptionsprozess zu starten. Die sog Repressoren (negative Regulation) stoppen den Prozess wieder und verhindern somit die Gentranskription durch die RNA-Polymerase. Die Genregulation erfolgt über Prokaryoten, die der Adaption eines Organismus an wechselnde Umgebungen bzw Umweltbedingungen dienen oder Eukaryoten, die die Entwicklung mehrzelliger Organismen steuern.

Bei einem Transkriptionsfehler ändert sich zwar nicht das DNA-Gen, aber zusätzlich zur mRNA auch das Protein.

Translation

Bei Prokaryoten erfolgt die Translation im unmittelbaren Anschluss an die Transkription, während bei Eukaryoten noch der Zwischenschritt der RNA-Prozessierung eingelegt wird.

Jetzt, da der DNA Abschnitt in RNA recodiert ist, findet die wahre Proteinbiosynthese statt, indem aus dem Nucleus mRNA an Ribosomen des Zytoplasmas verschickt wird. Hier setzt nun die Translation des RNA-Codes in den Protein-Code ein, die Nukleotidsequenz wird in eine Aminosäurensequenz translatiert.

Allgemeine Einteilung der Genmutationen

Die Genmutationen, werden – ob ihrer molekularen Ursachen – nochmals in drei Varianten der Punktmutationen[157], [158] unterteilt, die als sog »kleine Mutationen« gelten.

  • Insertionen,
  • Deletionen und
  • Inversionen.

Abb 114: Die 3 Typen der CSSR[159].

Bildergebnis für Basenpaar Sonne Das jew rote DNA-Segment wird umgelagert; die dunklen Farbabschnitte repräsentieren die Rekombinase-Erkennungssequenzen. Das schwarze Segment mit weißem Pfeil steht für die Bereiche des »crossing over«, wo sowohl Spaltung als auch Rekombination der DNA stattfinden.

Abb 115: Codon-Sonne der Aminosäurenamen.[160]

Punktmutationen

Bei den Punktmutationen werden ein Nukleotid (Base) sowie der komplementäre Partner im gegenüberliegenden Strang durch ein anderes Nukleotidpaar ausgetauscht, es ist demnach nur eine einzelne Nukleinbase berührt.

Die Punktmutation gehört gerade im Forschungsgebiet der Kultur- und Nahrungspflanzen zum vielversprechendsten CRISPR/Cas9-Verfahren. Sie wirkt sich in den unterschiedlichsten Wirkungsgraden auf die Zelle bzw auf den gesamten Organismus aus:

Manifestiert sie sich etwa Gene, die für das Überleben einer Zelle existentiell sin, kann dies zu einer »letalen Mutation« führen, dh der Organismus stirbt.

Wird die Proteinbildung verhindert oder die Funktion des Genprodukts zerstört, spricht man von einer »Loss of function-Mutation«.

Werden neue Eigenschaften und Merkmale eines Organismus gewonnen, wie etwa eine vermehrte enzymatische Aktivität, spricht man von einer »Gain of function-Mutation«.

Wird keinerlei Veränderung in der Entwicklung oder Funktion des Genprodukts bewirkt, spricht man »neutralen Mutation«, Auswirkungen auf den Organismus bleiben ergo aus.

Punktmutationen können singuläre Gene ansteuern oder in regulativen Sequenzen auftreten, was die Genexpression beeinträchtigen kann.

Bei den Punktmutationen kennt man va die

Read-through Mutation,

Silent Mutation (Stumme Mutation),

Missense Mutation (Fehlsinn),

Nonsense Mutation (Unsinn).

Der Austausch die Insertion oder Deletion eines einzigen Nukleotids kann an drei unterschiedlichen Bereichen eines Gens erfolgen, nämlich in der

  • codierenden Region,
  • nicht-codierenden (Regulator-) Region oder
  • intergenischen Region.

Je nach betroffener Region kann die Basenänderung nun eine Änderung der Aminosäure verursachen oder nicht.

Read-through Mutation

Bei der Read-through Mutation wird ein Stopp-Codon qua Mutation zu einer Aminosäure, weil es verschwindet und daher »überlesen« wird. Das Stopp-Codon ist ein für das CRISPR/Cas9-Verfahren wesentlicher Baustein, weil es die Proteinsynthese in einer Zelle abbricht, indem ein Transkriptionsstopp erfolgt. Wird die Transkription der mRNA nicht angehalten, läuft die Translation unausgesetzt fort.

Stumme Mutation

Bildergebnis für Basenpaar SonneStumme Mutationen[161] erfolgen im Bereich eines bestimmten Gens, der allerdings nicht die Synthese eines bestimmten Proteins codiert. Somit hat die Mutation keinen Einfluss bzw keine Auswirkung auf das codierende Protein oder das Leseraster. Das dritte Nukleotid eines codierenden Tripletts wird zwar ersetzt und der Austausch an der dritten Position von Codon-Tripletts führt jedoch nicht zur Bildung eines anderen Codons; dennoch wird trotz des degenerierten Codes in dieselbe Aminosäure transkribiert; es findet gerade keine Aminosäureänderung statt.

Abb 116: Glutaminsäure auf der Codon-Sonne.[162]

Im nachfolgenden Beispiel wird Adenin durch Guanin ersetzt (ausgetauscht) und dennoch bleibt die Glutaminsäure erhalten, denn wie auf der Codon-Sonne der Aminosäurenamen abzulesen ist bilden von – innen nach außen gelesen – sowohl das Codon-Triplet bestehend aus GAA als auch jenes bestehend aus GAG eine Glutaminsäure.

FB 205: Originale Basenabfolge vs stumme Mutation

Originale Basenabfolge:

ATG (Met) GAA (Glu) GCA (Ala) CGT (Gly)

Stumme Mutation:

ATG (Met) GAG (Glu) GCA (Ala) CGT (Gly)

Die Bezeichnung »stumme Mutation« wird tlw auch bei Deletionen oder Insertionen verwendet, sofern (wenn) die Funktionsweise eines Enzyms nicht beeinflusst wird.

Missense-Mutation (Fehlsinn-Mutation)

Bei der Missense-Mutation findet der Austausch eines Bp an der ersten oder zweiten Stelle des codierten Tripletts statt, was zu einem anderen Codogen führt. IdR provoziert diese den Einbau einer anderen, falschen Aminosäure, womit die Funktionstüchtigkeit eines Protein-Enzyms reduziert wird bzw dessen Aktivität mutiert. Als plakatives Beispiel sei die Sichelzellenanämie genannt, bei der sich die Missense-Mutation nachhaltig auf den Organismus auswirkt.

https://ghr.nlm.nih.gov/primer/illustrations/missense.jpg

Abb 117: Missense-Mutation[163]

Nonsense Mutation

Indem ein codierendes Triplett durch Basenaustausch in ein Stopp-Signal[164] umprogrammiert (umgewandelt) wird, kommt es zum Abbruch der Proteinsynthese. Das Stopp-Signal macht an der neuen Position keinerlei genfunktionalen[165] Sinn, woher auch der Name »nonsense« (Unsinn) rührt.

https://ghr.nlm.nih.gov/primer/illustrations/nonsense.jpg

Abb 118: Nonsense-Mutation[166]

Rastermutation

Unter Rastermutation versteht man eine Genmutation als Insertion (Base wird in DNA eingefügt) oder Deletion (Base wird aus DNA entfernt). Die Folge ist, wie bereits ausgeführt, eine Verschiebung des Leserasters (frameshift).

Translokation

Ein Stück eines Chromosoms verlässt seinen ursprünglichen Platz und lagert sich an einem neuen Chromosom an oder an einer anderen Stelle des gleichen Chromosoms.

Insertionen

https://ghr.nlm.nih.gov/primer/illustrations/insertion.jpg

Abb 119: Insertion Mutation[167]

FB 206: Originale Basenabfolge vs Insertion einer Base »G«

Originale Basenabfolge:

… TCT TGC GAA TCA …

Insertion einer Base »G«:

.. TCG TTG CGA ATC … (Guanin wird insertiert)

Aus dem Satz: ICH BIN EIN OLM würde bspw XIC HBI NEI NOL M.

In die Kette aus unterschiedlichen Basen wird ein neues Bp insertiert (eingebaut, eingefügt). Zusätzliche Nukleotide oder DNA-Abschnitte werden in eine bestehende DNA-Sequenz eingefügt, was zu einer Verschiebung innerhalb des Ableseschemas oa Leserasters, dem sog »frameshift«, führt,[168] weil der sog Triplet-Codon[169] (Basentriplett) verrückt wird. Im Ergebnis sind ab dem Insertionspunkt alle Tripletts von der Mutation betroffen und besitzen ab dem Mutationspunkt an eine mutierte Sequenz, was zu einem Protein mit veränderter Aktivität führt.

Deletionen und Inversionen

https://ghr.nlm.nih.gov/primer/illustrations/deletion.jpg

Abb 120: Insertion Mutation[170]

Deletionen erfolgen entgegengesetzt zu Insertionen. Aus der Kette unterschiedlicher Basen wird zumindest ein Bp deletiert (entfernt, gelöscht). Dieser Vorgang des Herausschneidens aus dem DNA-Strang, verursacht einen Rasterschub (frameshift), der einzelner Gene auf der DNA verschiebt.

FB 207: Originale Basenabfolge vs Deletion einer Base »G«

Originale Basenabfolge:

… TCG TTG CGA ATC …

Deletion einer Base »G«:

… TC(-)T TGC GAA TC … Das Guanin wird aus dem ersten Codon entfernt.

Werden im Zuge der Deletion oder Insertion jedoch drei bzw ein Vielfaches von drei (6, 9, 12, …) Bp verändert, kommt es zu keinem frameshift-Effekt.[171]

Abb 121: Leseraster-Mutationen.[172]

Mutationsformen

https://www.spektrum.de/lexika/images/biok/f2f500_w.jpg

Tab 40: Übersicht von Genmutationen[173],[174]

        1. Somatische Mutation

Modifikationen in all jenen Körperzellen, die keinen direkten Einfluss auf die Fortpflanzung haben, sich also in Eigenschaften und Merkmale der Pflanze niederschlagen.

Die Übertragung der somatischen Mutation auf körpereigene Zellen im Rahmen der Zellteilung ist möglich und im Rahmen der Forschung zumeist auch gewollt (Krebstherapie), eine direkte Übertragung der somatischen Mutation auf Nachkommen (Vererbung) ist ausgeschlossen. Eine indirekte Einflussnahme auf Nachfolgegenerationen bzw auch die Biodiversität ist nicht auszuschließen.

Gerade ungerichtete Mutagenese-Verfahren, die als zulässige Ausnahmeverfahren des GTR gelten,[175] können zu solchen ungewollten Folgewirkungen und Kollateralschäden führen,[176] woher auch die Ablehnung der GT herrührt.

        1. Generative Mutation oder Keimbahnmutation

Mutationen, die in den Keimzellen auftreten, also in Eizellen oder in den Zellen, die Spermien produzieren, können auf Nachkommen übertragen werden.

        1. Letale Mutationen

Letale Mutationen töten einen Organismus unabhängig von seiner jew Lebensphase in jedem Falle ab, weil lebensnotwendige Gene gelöscht ober abgeschaltet werden, deren Fehlen die Zelle nicht kompensieren kann.

        1. Konditional-letale Mutationen

Konditional-letale Mutationen töten verändern zwar Veränderung das Genprodukt eines Organismus, tötet diesen aber nur bei bestimmten Wachstumsbedingungen ab, machen sich hingegen unter normalen Lebensbedingungen nicht bemerkbar.

        1. Loss-of-function-Mutationen

Das Genprodukt wird durch eine Mutation im Gen funktionslos. Ist der Funktionsverlust vollständig, spricht man von Nullallel oder einem amorphen Allel. Loss-of-function-Mutationen sind meistens rezessiv, da ein anderes Allel den Funktionsverlust eines Gens auffangen kann

        1. Gain-of-function-Mutationen

Die Gain-of-function-Mutation ist eine Art von Mutation, bei der das veränderte Genprodukt eine neue molekulare Funktion oder ein neues Muster der Genexpression erhält. Die sog Funktionsgewinnmutationen sind fast immer dominant (sichtbarer Phänotyp) oder semidominant.

Der Zugewinn an Genaktivität und als hypermorph bezeichnet. Entsteht letztlich ein völlig neuer Phänotyp, so wird das Allel als neomorph beschrieben. Wenn ein Funktionsgewinn-Allel einen Phänotyp nur im homozygoten Zustand zeigt, spricht man von einer sog rezessiven Funktionsgewinnmutation.

        1. Neutrale Mutationen

Neutrale Mutationen können den Phänotyp verändern, haben aber für den Organismus keine Fitnesskonsequenzen.

        1. Stille Mutationen

Stille Mutationen haben grds keine Folgen für den Organismus, dennoch kann es zu pathogenen Symptomen kommen, wenn etwa ein modifiziertes Codon zu einer gesteigerten Translationsgeschwindigkeit führt. Als Folge können Fehfaltungen des Proteins auftreten.

      1. Genommutationen

Genommutationen oa numerische Chromosomenaberrationen gelten als großer Mutationstyp. Hier ist der gesamte Chromosomensatz betroffen, weil Chromosomenzahl verändert wird. Es herrscht infolge der Mutation entweder Chromosomenüberschuss oder ein Chromosomenmangel. Als eine extreme Form ist bspw Trisomie 21 bekannt, bei der das 21. Chromosom dreifach auftritt. Die Genommutationen werden iwF der Vollständigkeit halber nur äußerst verknappt erläutert.

        1. Euploidie

Es kommt zu einer ganzzahligen Vervielfältigung (Vervielfachung) ganzer Chromosomensätze in allen Zellen des betroffenen Organismus. Sie tritt zumeist bei Kulturpflanzen auf, was sie grösser, stärker und damit auch resistenter gg Krankheiten macht.[177],[178] Eine bei Pflanzen häufig auftretende Unterform ist die der Polyploidie, bei der Organismen mehr als zwei Chromosomensätze aufweisen, also mindestens triploid sind.

        1. Endopolyploidie

Hier findet eine somatische Vervielfältigung (Vervielfachung) des Chromosomensatzes in Gewebestrukturen statt, wobei es idR zu einer gesteigerten Proteinsynthese kommt.

FB 203: Endopolyploidie

Leberzellen von Ratten als Säuger (tetraploid): 4n = 12

Wurzelzellen des Spinats: (tetraploid bis oktaploid):: 4n = 12, 8n = 24 [179],[180]

        1. Aneuploidie

Die Aneuploidie, auch numerische Chromosomenaberration genannt, ist dadurch gekennzeichnet, dass entweder einzelne Chromosomen gänzlich fehlen (Hypoplodie) oder zusätzlich vorhanden (Hyperploidie) sind.[181],[182]; [183],[184]

      1. Chromosomenmutationen

Themenkomplex 174: Rekombination [S. XXXIII:2].

Bei Chromosomenmutationen (oa strukturelle Chromosomenaberrationen) werden einzelne (ein oder mehrere) Chromosomen und damit zugleich der Chromosomenbau verändert, wobei das Genom trotz der Abänderung bzw des Defekts als solches grds funktionstüchtig bleibt. Man spricht hier auch von Strukturmutationen, die auf verschiedene Arten vorkommen:

  • File:Crossover genes.svgDuplikation,
  • Deletion,
  • Inversion,
  • Insertion,
  • Isochromosomie-Bildung und
  • Translokation.

Die Ursachen aller Mutationen sind die sog »crossing over«, die zw nicht homologen Chromosomen erfolgen. Es findet also eine Mutation durch Stückaustausch zw mütterlichen und väterlichen Chromosomen während der Meiose statt.

Abb 102: Crossing-over.[185]

        1. Duplikation

http://www.embryology.ch/images/kimgchromaber/02abweichende/k2e_duplikation.gif Bei der Strukturveränderung durch Duplikation kommt es zu einer Verdopplung einzelner Chromosomensegmente durch das »crossing over« an nicht homologen Stellen.[186],[187] Sie wird zT auch als eine »partielle Trisomie« verstanden, weil (siehe Abb links) drei Kopien der Gene im betreffenden Chromosomensegment vorliegen. Die dadurch bedingte falsche Genanweisung kann einen oder mehrere Defekte des Organismus auslösen.

Abb 103: Schematische Darstellung einer Duplikation.[188]

        1. Deletion

http://www.embryology.ch/images/kimgchromaber/02abweichende/k2c_deletion.gif Es kommt zum Abbau eines Chromosomenabschnitts durch Stückausfall,[189] was bedeutet dass sie in jedem Chromosom auftreten kann. Je größer das fehlende Chromosomenelement ist desto wahrscheinlicher ist es, dass auch Genbindungen abhanden gehen. Der Stückverlust am Ende eines Chromosoms nennt man Defizienz.[190]

Abb 104: Schematische Darstellung einer Deletion.[191]

        1. Inversion

Bildergebnis für chromosomen inversion http://www.embryology.ch/images/kimgchromaber/02abweichende/k2f1_inversionperi.gif Bei der Inversion kommt es zur Umkehrung eines ganzen Chromosomensegmentes innerhalb eines Chromosoms und zwar durch kreuzweisen Vereinigung der Bruchenden. Wie in den Abb links zu erkennen ist, wird Bruchstück in umgekehrter Form eingesetzt. Die Information bleibt idR erhalten. Ist das Zentromer mitbetroffen, handelt es sich um eine perizentrische Inversion, andernfalls um eine parazentrische Inversion.[192]

Abb 105: Schematische Darstellung einer Inversion.[193]

        1. http://www.embryology.ch/images/kimgchromaber/02abweichende/k2g_insertion.gif Insertion

Bei der Insertion wird ein Chromosomen-Bruchstück an einer anderen Chromosomen-Stelle platziert bzw insertiert und fusioniert dort. Auch hier kann der Insertionsträger phänotypisch unauffällig bleiben, da die Information vorhanden bleibt.

Abb 106: Schematische Darstellung einer Inversion.[194]

        1. Bildung von Isochromosomen

http://www.embryology.ch/images/kimgchromaber/02abweichende/k2h_Normochromosomie.gif http://www.embryology.ch/images/kimgchromaber/02abweichende/k2h1_Isochromosomie.gif Unter Isochromosomen versteht man metazentrische Chromosomen, die zwei homologe Arme (p-Arm und q-Arm) aufweisen. Die Teilung erfolgt nicht der Längs, sondern quer zum Zentometer. Wie in der linken Abb zu erkennen ist, hat sich ein X-Chromosom ordnungsgemäß zu zwei identischen Tochterchromosomen der Länge nach geteilt, während in der rechten Abb die Querteilung zu zwei Isochromosomen X (Iso) erfolgt ist. Die Anomalie ist durch die Bildung zweier kurzer oder zweier langer Arme gekennzeichnet.

Abb 107: Schematische Darstellung einer Isochromosomie-Bildung.[195]

Wenn jedoch X-Chromosomen als Isochromosomen vorliegen, bei denen ein p-Arm lang (partielle Trisomie) und der q-Arm kurz (partielle Monosomie) ist, so entspricht der Phänotyp einem Turner Syndrom.[196]

        1. Einfache Translokation

Als einfache Translokation wird die Übertragung eines Chromosomenbruchstücks auf ein heterologes Chromosom verstanden. Die Telomere versiegeln dabei beide Bruchenden.[197]

          1. Balancierte Translokation

Ein Chromosom bzw ein Chromosomenabschnitt wird auf ein anderes Chromosom übertragen (transloziert), die Gesamtmenge (Gesamtzahl) des Erbguts bleibt unverändert. Es bleibt somit das Gleichgewicht aufrecht (balanciert) und die Translokation hat idR keine relevanten Auswirkungen auf die phänotypischen Merkmale bzw den Träger selbst. Allerdings kann sich der Defekt auf Nachkommen Auswirken, nämlich dann, wenn diese nicht mehr Träger einer balancierten Translokation sind und es zu einer unbalancierten Translokation kommt. Eine balancierte Translokation kann also im Zuge der Befruchtung zu einer Translokations-Trisomie führen.

          1. Unbalancierte Translokation

Bei der klinisch bedeutendsten Translokation kommt es im Verlauf der meiotischen Zellteilung mit einer balancierten Translokation dazu, dass Keimzellen entweder mit doppelt vorhandenen oder mit gänzlich fehlenden bzw Chromosomensegmenten entstehen (Verlust oder Zugewinn). Die unbalancierte Translokation entsteht qua Befruchtung einer solchen Keimzelle und jedenfalls geht Chromosomenmaterial verloren, was bedeutet, dass die Menge an Erbinformationen sich verändert. Häufig kommt es, wie exemplarisch in aaO beschrieben,[198] zu einer (partiellen) Monosomie bzw (partiellen) Trisomie des betroffenen Chromosomenabschnittes.

FB 204: Translokation

Die gebildeten Keimzellen sind bei einer Translokation von 5 auf 13 und zwar in einer ausgewogenen Abfolge. Die gebildeten Keimzellen des Trägers sind 5 auf 13, 5‘ auf 13, 5 auf 13‘ und 5‘ auf 13‘. Kommt es zu einer Verbindung mit einer gesunden (normalen) Keimzelle, so wird 5‘ mit 13‘ erneut zum Träger einer balancierten Translokation. Im ungünstigen Fall jedoch, kann die strukturelle, nicht numerische Chromosomenaberration mit einer partieller Deletion am kurzen Arm eines Chromosoms 5 einhergehen: die Verbindung 5‘ mit 13 führt dann zum sog Cri-du-chat-Syndrom (CCS oder auch Katzenschrei-Syndrom genannt).[199]

          1. Reziproke Translokation

http://www.embryology.ch/images/kimgchromaber/02abweichende/k2i_translokrez.gif Bei der reziproken Translokation kommt es dazu, dass zwei abgebrochene Chromosomenstücke reziprok ausgetauscht, also am andern heterologen Chromosom angefügt (transloziert). Es findet eine sog Fragment-Übertragung statt. Die Folgen sind meistens für den Träger nicht spürbar, doch treten Komplikationen bei der Meiose auf.[200]

Abb 108: Schematische Darstellung einer reziproken Translation.[201]

          1. Robertson-Translokation

http://www.embryology.ch/images/kimgchromaber/02abweichende/k2k_Roberttrans.gif Bei dieser Sonderform fällt an den akrozentrischen Chromosomen (meist 14 und 21 bzw 22) der kurze Arm weg und eine zentrische Fusion t (14q21q bzw 14q22q) der beiden langarmigen Restchromosomen findet statt.

Abb 109: Schematische Darstellung einer Robertson-Translokation.[202]

      1. Genexpression und DNA-Replikation

Als Genmutationen werden die Veränderungen eines einzelnen Gens bezeichnet, wobei die Chromosomengestalt erhalten bzw ein und dieselbe bleibt. In concreto wird der DNA-Code eines Gens verändert, woraufhin ein Protein nicht mehr produziert bzw nur noch falsch synthetisiert wird und dem Organismus nicht mehr zur Verfügung steht. Gene werden bei der Replikation verdoppelt und bei der Transkription in mRNA kopiert.

Bildergebnis für mRNA

Abb 110: mRNA Codon[203] ([204])

Die mRNA wiederum wird im Zuge der Translation in ein Protein übersetzt, indem immer drei Basen (Basen-Triplett) in eine Aminosäure translatiert werden. Je nach Auftrittsort der Genmutation wird sie als somatische oder gametische bezeichnet. Während die somatische Genmutation die Körperzellen betrifft (Mitose), geht es bei der gametischen (Meiose) um die Keimzellen.

Fehler können bei der Replikation oder Transkription auftreten bzw durch externe Stoffe, sog Mutagene, ausgelöst werden.

        1. DNA-Replikation

Bei der DNA-Replikation wird die DNA dupliziert, ein Vorgang, der in drei Phasen erfolgt. Es gibt einige Unterschiede zw Replikationen bei Prokaryoten und Eukaryoten, die für den juristischen Kontext vernachlässigbar sind.

Als gewichtigste Unterschiede sind zu nennen:

  • Das sog »proofreading« findet nur bei Eukaryoten statt
  • Der Replikationsprozess ist bei Eukaryoten wesentlich langsamer, was tlw durch mehrere »origins« ausgeglichen wird; dh mehrere Replikationsprozesse werden zugleich angeregt (Initiationsphase).
  • Bei Eukaryoten ist die DNA stärker verdichtet.
  • Terminale Sequenzen sind bei Eukaryoten bisher nicht bekannt (Terminalphase).
  • Bei Eukaryoten sind an den Telomeren sind keine 3‘-End-Nukleotide vorhanden, womit eine Synthese an den Enden unmöglich ist und daher nicht vollständig abgeschlossen werden kann. Es kommt im Zuge jeder Chromosomenverdopplung zur Verkürzung der Telomere am 5′-End-Nukleotid eines jeden Tochterstranges; man sieht darin ein genetisches Indiz für den Alterungsprozess von Organismen (Terminalphase).

Als Nachsatz sei erwähnt, dass bei Keimbahn- und Stamm- und einigen Tumorzellen die Telomerase als Kompensationsenzym hins der Verkürzung der Telomere entdeckt worden ist, was gerade die Forschungsarbeit mit CRISPR/Cas9 beflügelt. Forschung und Entwicklung an menschlichen Embryonen sind längst keine Geheimsache mehr, sondern Bestandteil zahlreicher internationaler Publikationen.

          1. Initiationsphase: Replikationsursprung (origin of replication)

Am Startpunkt der Replikation wird die koaxial verwundene DNA-Doppelhelix, die ähnlich einer verdrehten Strickleiter (DNA-Doppelhelix) ist, in zwei einzelne gleisartige Stränge entwunden. Für diesen Vorgang ist die Topoisomerase zuständig. Nun kann die Helikase die beiden mit H-Brücken (Wasserstoffbrücken) verbundenen Stränge entlang des Stranges von 3‘ nach 5‘ enzymatischen aufbrechen; die Spaltstelle wird Replikationsgabel genannt. Es entsteht eine sog Replikationsblase mit zwei Replikationsgabeln, wobei beide als Mutterstränge zur Vorlage für den Duplikationsvorgang dienen. Die Einzelstränge werden durch Proteine gebunden, die die Replikation erleichtern. Die Vorlage besteht aus einem Leitstrang (3‘ 5‘) und einem Folgestrang (5‘ 3‘). Man nennt den Vorlagestrang auch »codogener Strang«, weil er für die mRNA codiert und »anstisense strang«,[205] weil die mRNA komplementär zur codierenden DNA ist.

DNA replication de.svg

Abb 111: Replikation bei Eukaryoten.[206] ([207])

Image description

Abb 112: Replikation bei Prokaryoten.[208]

          1. Elongationsphase (Verlängerungsphase)

Da nun die DNA-Stränge freiliegen, können die Polymerasen beginnen, die Tochterstränge zu synthetisieren. Sie brauchen jedoch einen sog Primer, der ihnen den Ausgangspunkt weist. Diese Primer werden vom Primase-Enzym hergestellt, bestehen aus maximal 30 RNA-Nukleotiden und enthalten die Base Uracil. Sie werden an einem ungebundenes 3‘-OH-Ende des Mutterstrangs befestigt, um an das komplementäre Desoxynukleotide andocken zu können. Daher synthetisiert an den beiden Matrizensträngen im ersten Schritt eine Primase einen RNA-Primer, der das freie 3‘-OH-Ende zur Verfügung stellt. Diesen Vorgang nennt man »primer annealing«. Oben ist die antiparallele Orientierung abgebildet.

Es kommt an den komplementären Matrizensträngen zu diametral entgegengesetzten und divergent verlaufenden Replikationsmechanismen. Da ja die DNA-Polymerase nur von 5‘ 3‘ repliziert, müssen folglich die beiden parentalen DNA-Stränge gesondert und getrennt voneinander abgearbeitet werden. Die Polymerasen fügen iwF an jedem einzelnen Nukleotid das passende Gegenstück an. Die Nukleotide befinden sich bereits freiliegend im Zytoplasma der Zelle und gelangen durch Kernporen in den Zellkern. Stabile Bp über H-Brücken lassen sich nur über Partnerschaften von Thymin und Adenin (TA, AT) sowie Guanin und Cytosin (GC, CG) herstellen.[209] Da sie Polymerasen ja vom 3‘ 5‘ entlang der Mutterstränge laufen, bauen sie die Tochterstränge in umgekehrter Richtung auf. Das Synthetisieren findet also von 5‘ 3‘ statt.

Beim Leitstrang[210] wandert die Helikase der DNA-Polymerase voran, beide jedoch in dieselbe Richtung; die Primase setzt in der Initiationsphase einen einzigen RNA-Primer an 3‘-Anfang des Strangs, was als »einmaliges Priming« bezeichnet wird.

Beim Folgestrang[211] ist der Synthetisierungsvorgang komplizierter, da er ja 5‘ 3‘ verläuft; dh Helikase und Polymerase driften auseinander, wobei auch der Tochterstrang entgegengesetzt läuft. Die Polymerase muss sich also in die Gegenrichtung der Aufspaltung durchschlagen, der Folgestrang hat ergo diskontinuierlich zu entstehen. Während also die die Helikase von 5‘ 3‘ spaltet, synthetisiert die Polymerase von 3‘ 5‘. Diese Paradoxie wird dadurch gelöst, dass die Primase Lücken offenlässt, ehe ein RNA-Primer an den Mutterstrang gesetzt werden kann. Die Polymerase synthetisiert diese Lücke während ein neuer Primer in die Nähe der Replikationsgabel gesetzt wird, zu dem die Polymerase wieder zurückspringt, um mit dem Synthetisieren fortzufahren. Dieser diskontinuierliche Schleifen-Prozess wiederholt sich solange, bis der Folgestrang fertiggestellt ist. Die einzelnen Lückenfragmente werden in der biochemischen Terminologie »Okazaki-Fragmenten« genannt.

          1. Terminationsphase

Das Enzym »RNase H« entfernt nur alle auf den Tochtersträngen verbliebenen Primer, woraufhin eine DNA-Polymerase diese Primerlücken wiederum mit komplementären DNA-Nukleotiden. Zuletzt verknüpft[212] die Ligase die Okazaki-Fragmente auf dem Tochterstrang des Folgestrangs und schon sind zwei komplett neue DNA-Helices sind entstanden.

Für die juristische Frage ist der Terminationsprozess von erheblicher und in puncto GTR sogar von entscheidende Bedeutung, weil auch bei einem GE-Prozess die Primerlücken entfernt werden und somit alle Spuren der künstlich herbeigeführten Mutation, wie etwa mit CRISP/Cas9, verwischt werden. Das künstlich veränderte Produkt ist nicht von natürlich [biologischen!] vorkommenden Mutationen zu unterscheiden. Hier manifestiert sich der unterschiedliche juristische Zugang zum Regime des GTR.

Enzyme replizieren aus einer DNA zwei neu identische DNA, bestehend aus jew einem alten und einem neuen Strang. Somit ist schlüssig nachvollziehbar, warum im Zuge der Replikation nicht korrigierte Fehler des alten Strangs in die neue DNA transkribiert werden und somit Mutationen entstehen.

        1. Proteinbiosynthese

Es geht um die Synthese von RNA auf Basis eines DNA-Codes, der als Bauanleitung dient, also der Proteinbiosynthese. Ein spezifischer DNA-Abschnitt eines Gens wird abgelesen, um neue RNA-Stränge zu synthetisieren, ergo neue RNA-Moleküle zu reproduzieren.

          1. Transkription

Die DNA befindet sich bei Eukaryoten im Zellkern,[213] allerdings läuft die Proteinbiosynthese an den im Zytosol gelegenen Ribosomen ab. Die Kopie der DNA muss also aus dem Zellkern (Nukleus) ins Zytoplasma transportiert werden. Die Transkription startet am 3‘ Ende des Strangs und endet am 5‘ Ende und erst im Anschluss an die Replikation können Codons in eine neue DNA-Schrift transkribiert werden. Die Kopie, die in Folge der Transkription entsteht, wird mRNA (mRNS) genannt; sie übernimmt die Botenfunktion, liefert also die Informationen aus dem Zellkern der Chromosomen herausbefördert. Die mRNA-Polymerase liest am »antisense strang« entlang die Nukleotide ab und setzt ihnen, wie zuvor beschrieben, ein anderes ggü und fügt die Bp »A-T« und »C-G«, die zu RNA zusammen. Einem Nukleotid am »antisense strang« wird ein Nukleotid gegenübergesetzt und zwar in den Paarungen Adenin-Uracil, Thymin-Adenin, Cytosin-Guanin und Guanin-Cytosin.

Auf der RNA entspricht das Uracil dem Thymin der DNA.

Der »sense strang« ist der gegenläufige Strang, wie aus dem Replikationsverfahren bekannt (Leitstrang und Folgestrang), allerdings spielt er bei der Transkription eine untergeordnete Rolle. Der »sense strang« stellt den Promotor und den Terminator in Form von Nukleotid-Sequenzen zur Verfügung, die der RNA-Polymerase den Anfangs- (start) und Endpunkt (stop) anzeigen. Genau hier setzen sowohl das CRISPR/Cas9-Verfahren als auch die juristischen Schwierigkeiten an. Die Nukleotid-Sequenzen werden nämlich nicht auf die RNA übertragen, sondern lösen sich gemeinsam mit der RNA Polymerase von der DNA, die sich wieder aufwickelt und verdichtet.

Weil also ein Teil der DNA-Basen ungepaart vorliegt, müssen nun neue, freie RNA-Nukleotide mit ihnen gepaart werden.[214] Die Transkription hat also die Kopie eines entwundenen DNA-Stranges im Zuge der Replikation bereitzustellen. Das Prinzip der komplementären Basenpaarung bedingt, dass alle Nukleotide nach und nach bei einem Strang eingefügt und mit dem sog Rückgrat verbunden werden.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f7/DNA_transcription.jpg

Abb 113: DNA Transkription.[215], [216]

Wie an obiger Abb zu sehen ist, liegen die DNA-Basen des »DNA-antisense strand« (CATG), der als zur RNA komplementärer Strang von 3′ 5′ verläuft, nun frei. An den freiliegenden Basen knüpfen nun Basen freier RNA-Nukleotide (GUAC) an. Diese Nukleotide verketten sich zu einem mRNA, der sich nun an den »DNA-antisense strand« andockt.[217] Eine neue DNA-Sequenz ist nun entstanden, die mit Ausnahme des »U« statt »T« die gleiche Basenreihenfolge aufweist. Die RNA-Polymerase setzt den Prozess in gleicher Weise weiter fort. Die Transkription ist also die Produktion RNA Moleküls aus einem Strang, wobei der »antisense strang« als Matrize dient. Die Nomenklatur ist in der Fachwelt uneinheitlich, dazu kommen noch sprachliche Differenzierungen. Daher wird in dieser Arbeit der Begriff »sense strand« für einen DNA-Strang der von 5‘ 3‘ verläuft und »antisense strand« für die umgekehrte Richtung verwendet. Sollte ein Strang als »sense strand« fungieren, jedoch in die gegengesetzte Richtung verlaufen, wird diese Umkehrung mit einem »reverse« gekennzeichnet.

Weil aber das Enzym nur in eine Richtung arbeiten kann, kommt es dazu, dass erst der Führungsstrang durchsynthetisiert wird. Hernach wird der andere Strang in Fragmenten kopiert und im Anschluss daran die beiden Stränge wieder verbunden. Die Replikation hat in einem nur wenige Minuten umfassenden Zeitfenster zu erfolgen, was bedeutet, dass den Enzymen nur eine geringe Zeitspanne zur Verfügung steht, Basen-Fehlpaarungen[218] aufzuspüren und zu reparieren, also das falsche Nukleotid herauszuschneiden und das richtige wieder einzusetzen. Fehler bei der Replikation treten häufig zwar auf, dennoch kommt es bei der humanen »RNA Polymerase II« nur sehr selten zu DNA-Mutationen, weil der Reparaturmechanismus als Korrekturfunktion,[219] idR hervorragend funktioniert und falsche Ribonukleotide nur selten tatsächlich eingebaut bleiben.

„In der Regel werden veränderte Basen jedoch in der Exzisionsreparatur einzeln oder zusammen mit einem Abschnitt der Nukleotidsequenz um die Schadstelle herum entfernt und die Lücke aufgefüllt.“[220],[221]

Geschieht dem nicht,[222] bleibt ein falsches Bp bestehen, womit sich sowohl die mRNA als auch die Bestandteile des Proteins ändern können. Allerdings fallen Mutationen eines einzigen mRNA-Moleküls unter tausenden nicht ins Gewicht. Bei Viren handelt es sich um eine einfache RNA Polymerase ohne »proofreading«, weshalb es unentwegt zu Virenmutationen kommt. Ein Faktum, das die Bekämpfung von Viren und -stämmen immens erschwert, der CRISPR/Cas9 jedoch zugutekommen könnte.

Die sog Arbeitskopie ist also eine mRNA, die dann von Ribosomen in ein Protein translatiert wird. Noch ist nicht die DNA-Transkription nicht bis in letzte Detail erforscht und tlw ungeklärt. Was man heutzutage weiß ist, dass nicht die gesamte Zell-DNA dupliziert und repliziert wird, sondern lediglich das sog Operon, das bei CRISPR/Cas9 eine große Bedeutung hat.

Ein Operon beschreibt eine Gruppe zusammengehöriger Gene, nämlich:

  • einen Promotor,
  • einen Operator bzw mehrere Operatoren sowie
  • Struktur-Gene.

Diese kleinste funktionale Einheit der DNA kann den Transkriptionsprozess regulieren, also an- oder abschalten.[223] Sog Promotoren[224] (positive Regulation), die sich am Anfang eines Gens befinden, aktivieren Prozess der Enzymproduktion (RNA-Polymerase), der an die DNA bindet, um den Transkriptionsprozess zu starten. Die sog Repressoren (negative Regulation) stoppen den Prozess wieder und verhindern somit die Gentranskription durch die RNA-Polymerase. Die Genregulation erfolgt über Prokaryoten, die der Adaption eines Organismus an wechselnde Umgebungen bzw Umweltbedingungen dienen oder Eukaryoten, die die Entwicklung mehrzelliger Organismen steuern.

Bei einem Transkriptionsfehler ändert sich zwar nicht das DNA-Gen, aber zusätzlich zur mRNA auch das Protein.

          1. Translation

Bei Prokaryoten erfolgt die Translation im unmittelbaren Anschluss an die Transkription, während bei Eukaryoten noch der Zwischenschritt der RNA-Prozessierung eingelegt wird.

Jetzt, da der DNA Abschnitt in RNA recodiert ist, findet die wahre Proteinbiosynthese statt, indem aus dem Nucleus mRNA an Ribosomen des Zytoplasmas verschickt wird. Hier setzt nun die Translation des RNA-Codes in den Protein-Code ein, die Nukleotidsequenz wird in eine Aminosäurensequenz translatiert.

      1. Allgemeine Einteilung der Genmutationen

Die Genmutationen, werden – ob ihrer molekularen Ursachen – nochmals in drei Varianten der Punktmutationen[225], [226] unterteilt, die als sog »kleine Mutationen« gelten.

  • Insertionen,
  • Deletionen und
  • Inversionen.

Abb 114: Die 3 Typen der CSSR[227].

Bildergebnis für Basenpaar Sonne Das jew rote DNA-Segment wird umgelagert; die dunklen Farbabschnitte repräsentieren die Rekombinase-Erkennungssequenzen. Das schwarze Segment mit weißem Pfeil steht für die Bereiche des »crossing over«, wo sowohl Spaltung als auch Rekombination der DNA stattfinden.

Abb 115: Codon-Sonne der Aminosäurenamen.[228]

        1. Punktmutationen

Bei den Punktmutationen werden ein Nukleotid (Base) sowie der komplementäre Partner im gegenüberliegenden Strang durch ein anderes Nukleotidpaar ausgetauscht, es ist demnach nur eine einzelne Nukleinbase berührt.

Die Punktmutation gehört gerade im Forschungsgebiet der Kultur- und Nahrungspflanzen zum vielversprechenden CRISPR/Cas9-Verfahren. Sie wirkt sich in den unterschiedlichsten Wirkungsgraden auf die Zelle bzw auf den gesamten Organismus aus:

  • Manifestiert sie sich etwa Gene, die für das Überleben einer Zelle existentiell sin, kann dies zu einer »letalen Mutation« führen, dh der Organismus stirbt.
  • Wird die Proteinbildung verhindert oder die Funktion des Genprodukts zerstört, spricht man von einer »Loss of function-Mutation«.
  • Werden neue Eigenschaften und Merkmale eines Organismus gewonnen, wie etwa eine vermehrte enzymatische Aktivität, spricht man von einer »Gain of function-Mutation«.
  • Wird keinerlei Veränderung in der Entwicklung oder Funktion des Genprodukts bewirkt, spricht man »neutralen Mutation«, Auswirkungen auf den Organismus bleiben ergo aus.
  • Punktmutationen können singuläre Gene ansteuern oder in regulativen Sequenzen auftreten, was die Genexpression beeinträchtigen kann.

Bei den Punktmutationen kennt man va die

  • Read-through Mutation,
  • Silent Mutation (Stumme Mutation),
  • Missense Mutation (Fehlsinn),
  • Nonsense Mutation (Unsinn).

Der Austausch die Insertion oder Deletion eines einzigen Nukleotids kann an drei unterschiedlichen Bereichen eines Gens erfolgen, nämlich in der

  • codierenden Region,
  • nicht-codierenden (Regulator-) Region oder
  • intergenischen Region.

Je nach betroffener Region kann die Basenänderung nun eine Änderung der Aminosäure verursachen oder nicht.

          1. Read-through Mutation

Bei der Read-through Mutation wird ein Stopp-Codon qua Mutation zu einer Aminosäure, weil es verschwindet und daher »überlesen« wird. Das Stopp-Codon ist ein für das CRISPR/Cas9-Verfahren wesentlicher Baustein, weil es die Proteinsynthese in einer Zelle abbricht, indem ein Transkriptionsstopp erfolgt. Wird die Transkription der mRNA nicht angehalten, läuft die Translation unausgesetzt fort.

          1. Stumme Mutation

Bildergebnis für Basenpaar SonneStumme Mutationen[229] erfolgen im Bereich eines bestimmten Gens, der allerdings nicht die Synthese eines bestimmten Proteins codiert. Somit hat die Mutation keinen Einfluss bzw keine Auswirkung auf das codierende Protein oder das Leseraster. Das dritte Nukleotid eines codierenden Tripletts wird zwar ersetzt und der Austausch an der dritten Position von Codon-Tripletts führt jedoch nicht zur Bildung eines anderen Codons; dennoch wird trotz des degenerierten Codes in dieselbe Aminosäure transkribiert; es findet gerade keine Aminosäureänderung statt.

Abb 116: Glutaminsäure auf der Codon-Sonne.[230]

Im nachfolgenden Beispiel wird Adenin durch Guanin ersetzt (ausgetauscht) und dennoch bleibt die Glutaminsäure erhalten, denn wie auf der Codon-Sonne der Aminosäurenamen abzulesen ist bilden von – innen nach außen gelesen – sowohl das Codon-Triplet bestehend aus GAA als auch jenes bestehend aus GAG eine Glutaminsäure.

FB 205: Originale Basenabfolge vs stumme Mutation

Originale Basenabfolge:

ATG (Met) GAA (Glu) GCA (Ala) CGT (Gly)

Stumme Mutation:

ATG (Met) GAG (Glu) GCA (Ala) CGT (Gly)

Die Bezeichnung »stumme Mutation« wird tlw auch bei Deletionen oder Insertionen verwendet, sofern (wenn) die Funktionsweise eines Enzyms nicht beeinflusst wird.

          1. Missense-Mutation (Fehlsinn-Mutation)

Bei der Missense-Mutation findet der Austausch eines Bp an der ersten oder zweiten Stelle des codierten Tripletts statt, was zu einem anderen Codogen führt. IdR provoziert diese den Einbau einer anderen, falschen Aminosäure, womit die Funktionstüchtigkeit eines Protein-Enzyms reduziert wird bzw dessen Aktivität mutiert. Als plakatives Beispiel sei die Sichelzellenanämie genannt, bei der sich die Missense-Mutation nachhaltig auf den Organismus auswirkt.

https://ghr.nlm.nih.gov/primer/illustrations/missense.jpg

Abb 117: Missense-Mutation[231]

          1. Nonsense Mutation

Indem ein codierendes Triplett durch Basenaustausch in ein Stopp-Signal[232] umprogrammiert (umgewandelt) wird, kommt es zum Abbruch der Proteinsynthese. Das Stopp-Signal macht an der neuen Position keinerlei genfunktionalen[233] Sinn, woher auch der Name »nonsense« (Unsinn) rührt.

https://ghr.nlm.nih.gov/primer/illustrations/nonsense.jpg

Abb 118: Nonsense-Mutation[234]

          1. Rastermutation

Unter Rastermutation versteht man eine Genmutation als Insertion (Base wird in DNA eingefügt) oder Deletion (Base wird aus DNA entfernt). Die Folge ist, wie bereits ausgeführt, eine Verschiebung des Leserasters (frameshift).

        1. Translokation

Ein Stück eines Chromosoms verlässt seinen ursprünglichen Platz und lagert sich an einem neuen Chromosom an oder an einer anderen Stelle des gleichen Chromosoms.

        1. Insertionen

https://ghr.nlm.nih.gov/primer/illustrations/insertion.jpg

Abb 119: Insertion Mutation[235]

FB 206: Originale Basenabfolge vs Insertion einer Base »G«

Originale Basenabfolge:

… TCT TGC GAA TCA …

Insertion einer Base »G«:

.. TCG TTG CGA ATC … (Guanin wird insertiert)

Aus dem Satz: ICH BIN EIN OLM würde bspw XIC HBI NEI NOL M.

In die Kette aus unterschiedlichen Basen wird ein neues Bp insertiert (eingebaut, eingefügt). Zusätzliche Nukleotide oder DNA-Abschnitte werden in eine bestehende DNA-Sequenz eingefügt, was zu einer Verschiebung innerhalb des Ableseschemas oa Leserasters, dem sog »frameshift«, führt,[236] weil der sog Triplet-Codon[237] (Basentriplett) verrückt wird. Im Ergebnis sind ab dem Insertionspunkt alle Tripletts von der Mutation betroffen und besitzen ab dem Mutationspunkt an eine mutierte Sequenz, was zu einem Protein mit veränderter Aktivität führt.

        1. Deletionen und Inversionen

https://ghr.nlm.nih.gov/primer/illustrations/deletion.jpg

Abb 120: Insertion Mutation[238]

Deletionen erfolgen entgegengesetzt zu Insertionen. Aus der Kette unterschiedlicher Basen wird zumindest ein Bp deletiert (entfernt, gelöscht). Dieser Vorgang des Herausschneidens aus dem DNA-Strang, verursacht einen Rasterschub (frameshift), der einzelner Gene auf der DNA verschiebt.

FB 207: Originale Basenabfolge vs Deletion einer Base »G«

Originale Basenabfolge:

… TCG TTG CGA ATC …

Deletion einer Base »G«:

… TC(-)T TGC GAA TC … Das Guanin wird aus dem ersten Codon entfernt.

Werden im Zuge der Deletion oder Insertion jedoch drei bzw ein Vielfaches von drei (6, 9, 12, …) Bp verändert, kommt es zu keinem frameshift-Effekt.[239]

Abb 121: Leseraster-Mutationen.[240]

    1. Transgenetik – Cisgenetik – Intragenetik

Bei der Transgenetik wird artfremdes Genmaterial von sog »Donor-Organismen« in das Erbgut eines Empfängerorganismus implantiert, bei der Cisgenetik hingegen kreuzungskompatibles. Die Intragenetik verwendet ebenso kreuzungskompatibles Erbgut, es werden also DNA-Abschnitte von zumindest artverwandten Pflanzen insertiert, allerdings erfolgt die DNA-Synthese auf neue Weise, was mittels Kreuzungsverfahren nicht erzielt werden kann.

  1. Beim Menschen spielen 21 proteinogene Aminosäuren eine Rolle.
  2. Aminosäuren variieren in ihrer Bindung von Wasser, was wiederum die finale Form beeinflusst. Prionenerkrankungen (etwa Creutzfeldt-Jakob) stellen eine Ausnahme von der hydrophoben / hydrophilen Struktur von Proteinen dar.
  3. Kap XVI. D. 4. »DNA und RNA (DNS und RNS)«, S. XVI:14.
  4. Vgl Sapolsky R., Molecular Genetics I, Vorlesung an der Stanford University vom 05.04.2010; [Zusammengefasst und übersetzt durch den Verfasser!].
  5. En: point mutation.
  6. Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T) in DNA bzw A (Adenin), G (Guanin), Cytosin (C) und U (Uracil) in RNA.
  7. Das Beispiel ist frei gewählt und fiktiv.
  8. Kap XVI. I. 5. a) »Punktmutationen«, S. XVI:43 f.
  9. Themenkomplex Mutagenese [S. XXXIII:77]; insb Kap II. F. 3. e)»Mutagenese«, S. 30 ff.
  10. Kap VI. G. 3. g) »Gefährdungspotenzial bei der DIY-Bio und somatische Hybride«, S. 267 ff; vgl dazu auch Gantz, V.M.; Bier, E., The mutagenic chain reaction: A method for converting heterozygous to homozygous mutations, in: Science vom 24.04.2015, Bd 348, Ausgabe 6233, 442-444, DOI:10.1126/science.aaa5945.
  11. Vgl Eldredge N., Gould S. J., Punctuated equilibria: an alternative to phyletic gradualism, in: Models in Paleobiology, Schopf T. (Hrsg), 82-115, Freeman, Cooper and Co., San Francisco, (1972); wieder abgedruckt in: N. Eldredge, Time frames, Princeton Univ.Press, Princeton, N.J., 1985, 193.
  12. These – Gleichgewicht; Antithese – Mutation; Synthese.
  13. Vgl Sapolsky R., Molecular Genetics I, Vorlesung an der Stanford Univerity vom 05.04.2010
  14. Vgl ebda.
  15. Kap III. »DIY-Bio: Grundrechte«, S. 71 ff.
  16. Themenkomplex Epigenetik – Epigenomik [S. XXXIII:77].
  17. Vgl ebda.
  18. Exon – expressed region.
  19. Intron – intragenic region.
  20. En: splicing.
  21. Quelle: Wikimedia Commons, dem freien Medienarchiv; Gene_structure.svg: en: User: Daycd, traced by User: Stanneredderivative work: Furfur [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)].
  22. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Gene_structure_de.svg
  23. Quelle: Wikipedia, Garver, Wikimedia Commons, lizenziert unter CreativeCommons-Lizenz by-sa-2.0-de.
  24. „Die Synthetische Biologie ist eine neue Disziplin der Molekularbiologie.“ Trojok, R., BioHacking – Gentechnologie für Alle (German Edition) Franzis Verlag. Kindle-Version.
  25. Vgl Heinemann M, Panke S; Synthetic Biology – putting engineering into biology. Bioinformatics, 2006, 2790-2799; Synthetic Biology: Applying Engineering to Biology Report of a NEST High-Level Expert Group. Published by the European Commission 2005, Directorate-General for Research, Directorate B – Structuring the European Research Area, Unit B1 — Anticipation of Scientific and Technological Needs (NEST activity); Basic Research.
  26. Vgl dazu insb Drew Endy, Foundations for engineering biology, in: Nature, Bd 438, Ausgabe 7067 (2005), 449-453; Hessel A., Designer life using synthetic biology, National Center for Biotechnology Information, U.S. National Library of Medicine, Science Reviews 2000 Ltd (2014; Bd 97, Ausgabe 4, 387-398.
  27. Globale Szene der Wissenschaftler und Bio-Hacker.
  28. Verdichtungsgrad der DNA.
  29. Quelle: Biologie der Schule, Veränderungen durch den Verfasser.
  30. http://www.biologie-schule.de/vergleich-dna-rna.php
  31. En: DNA (acid); dt: DNS (Säure). Desoxyribonukleinsäure.
  32. Lange Kettenmoleküle.
  33. En: RNA (acid); dt : RNS (Säure). Ribonukleinsäuren.
  34. Auch Naturstoffe genannt.
  35. Erbgut, Genom.
  36. Pararetroviren.
  37. Retroviren.
  38. Auch Atombindung oder Elektronenpaarbindung.
  39. Vgl Bannwarth, Bremer und Schulz, Basiswissen Physik, Chemie und Biochemie – Vom Atom bis zur Atmung – für Biologen, Mediziner und Pharmazeuten, Springer Verlag, Berlin/Heidelberg 2007, 329 (375): „Phosphodiester-Brücken stabilisieren die beiden kovalenten Stränge in axialer, H-Brücken in lateraler Richtung“.
  40. Quelle: Sourjik V., Grundlagen der Molekulargenetik, Grundvorlesung Biologie I, Teil Mikrobiologie, Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg 2009, 2.
  41. https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=17436581
  42. Quelle: Richard Wheeler (Zephyris) in en.wikipedia – GFDL.
  43. https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1261270
  44. Quelle: Abb Typ 1: gemeinfrei, Abb Typ 2, gemeinfrei, Karl Bednarik in de: wikipedia – Gezeichnet am 30. Juni 2004 mit GW-BASIC, CC BY-SA 3.0.
  45. https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2117121
  46. S dazu im Detail »antisense strand« und »sense strand« in Kap XVI. I. 5. »Allgemeine Einteilung der Genmutationen«.
  47. Quelle: Biologie der Schule. Kompaktes Wissen für Schule und Studium, Die RNA (Ribonukleinsäure).
  48. http://www.biologie-schule.de/desoxyribonukleinsaeure-dna.php
  49. Quelle: By Sponk, CC BY-SA 3.0 Wikimedia Commons.
  50. https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0
  51. Detail: Kap XVI. I. 4. b) »Proteinbiosynthese«, S. XVI:39 ff.
  52. Vgl Biologie der Schule. Kompaktes Wissen für Schule und Studium, Die RNA (Ribonukleinsäure) sowie Wikipedia, Ribonukleinsäure.
  53. http://www.biologie-schule.de/desoxyribonukleinsaeure-dna.php
  54. https://de.wikipedia.org/wiki/Ribonukleins%C3%A4ure
  55. S dazu ebda.
  56. Vgl Anhang 1a Teil 1 FRL (Verfahren der genetischen Veränderung im Sinne von Artikel 2 Nummer 2 Buchstabe a) in Konkordanz dazu § 4 Z 3 lit a) TGTG.
  57. Kap XI. J. 8. e)(3) »Interpretationsansätze«, S. 786; Kap XI. J. 10. b) »Rekombinante Nukleinsäuremoleküle«, S. 833 ff.
  58. Wikipedia.
  59. https://de.wikipedia.org/wiki/Rekombination_(Genetik)
  60. EFSA „[…] a recombinant nucleic acid molecule can be defined as a molecule that is generated by joining two nucleic acid molecules.“.
  61. http://registerofquestions.efsa.europa.eu/roqFrontend/wicket/page?6-1.ILinkListener-mandateFormdocuments-2-fileNameLnk
  62. Vgl Wikipedia, Synthetische Nukleinsäuren.
  63. https://de.wikipedia.org/wiki/Nukleins%C3%A4uren
  64. En für Berstgröße.
  65. Wikipedia: Lytischer Zyklus, Zyklusverlauf bei Bakteriophagen. „Der lytische Zyklus von E. coli mit dem T4-Phagen dauert bei 37 °C 20 bis 30 Minuten.“.
  66. https://de.wikipedia.org/wiki/Lytischer_Zyklus
  67. Vgl Borghans, Noest, De Boer, How Specific Should Immunological Memory Be?, in: The Journal of Immunology, Bd 163, Ausgabe -Nr 2, 1999, 569-575.
  68. Quelle: Own rendition of the crystal structure solved by M Jinek et al, published in Science 2014; vgl auch Wikipedia: CRISPR/Cas9.
  69. https://de.wikipedia.org/wiki/CRISPR/Cas-Methode
  70. Kap XXIII. »Biologische Organismen«, S. XXIII:49 f.
  71. Vgl Jackson S. P., Sensing and repairing DNA double-strand breaks, in: Carcinogenesis, Bd 23, Ausgabe 5, Oxford University Press Mai 2002, 687-696, DOI: 10.1093/carcin/23.5.687.
  72. Zinkfinger, Nukleasen, Meganukleasen, TALEN, CRISPR/Cas9 und iwS auch die Oligonukleotid gerichtete Mutagenese; Synonyme: en: Genome Engineering, Gene Editing; dt: Genom-Bearbeitung, Genomchirurgie oder Genom-Editierung.
  73. Quelle: transgen.de.
  74. http://www.transgen.de/forschung/2537.kreuzen-gentechnik-genome-editing-pflanzenzuechtung.html
  75. SDN 1, SDN 2 und SDN3.
  76. ODM und Base Editing.
  77. Unter Tools sind biologische Werkzeueg bzw Komponenten zu verstehen.
  78. Kap XIX. »CRISPR/Cas-System«, S. XIX:11 ff.
  79. Vgl New Techniques in Agricultural Biotechnology, Scientific Advice Mechanism (SAM), EU Commission Explanatory Note, Brüssel 02/2017 mVwa Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences, Genome editing – Position Paper of the Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences. KNAW, Amsterdam 2016.
  80. Kap XVIII. B. »Anwendungsgebiete und Ziele der SynBio« S. XVIII:10 ff.
  81. Vgl Kim J-S., Genome editing comes of age, in: Nature Protocols 2016, 11:1573-1578; DOI:10.1038/nprot.2016.115
  82. S dazu die de lege ferenda Forderung im Abstact.
  83. Kap XVIII. A. 1. c) »Wissenschaftliche Entwicklung der SynBio«, S. XVIII:3.
  84. CRISPR – Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats.
  85. Vg Haft, et al, A guild of 45 CRISPR-associated (Cas) protein families and multiple CRISPR/Cas subtypes exist in prokaryotic genomes in: PLOS computational biology. Bd 1, Nummer 6, PLOS Corp., San Francisco November 2005, 60.
  86. Der Standard, Mit dem 3D-Printer lebendes Gewebe herstellen, 01.11.2016; Fotoquelle: tum/ a. heddergott.
  87. Vgl Standortbestimmung, Synthetische Biologie, Ständige Senatskommission für Grundsatzfragen der Genforschung der Deutschen Forschungsgemeinschaft, 5.
  88. Themenkomplex Biosafety und Biosecurity [XXXIII:77].
  89. Adaption der Tabelle von van Est et al. Constructing Life. The world of Synthetic Biology. Rathenau Instituut, The Hague (2007) [Übersetzung durch den Verfasser!].
  90. Mutation – Der Begriff geht auf Botaniker Hugo de Vries zurück und wird im Allgemeinen mit 1901 datiert.
  91. Campbel/eece, Biologie10, Pearson, München 2011 sowie Campbel et al, Biologie10, Pearson, München 2011, Kap 15.1.1, 382 und Kap 23.1.2, 626 (1856).
  92. Themenkomplex Mutagenese [S. XXXIII:77].
  93. Soll ein Organismus, der bspw durch eine Punktmutation verändert worden ist – wie von einem TdL vertreten – nicht als GVO angesehen werden, dann ist auch das GTR nicht einschlägig und der schadensrechtliche Haftungsansatzpunkt wäre somit kein deliktischer iSe Verstoßes gegen das GTR.
  94. Kap XXVI. N. 5. f)(2) »Öffentliches Interesse«, S. XXVI:55 f.
  95. Quelle: Berk Arnold, B. D. et al, Molekulare Zellbiologie, 2. Ausgabe, Walter de Gruyter, Berlin/New York 1996, 281 (1491).
  96. Herder Lexikon der Biologie, 2004: „Mutation w [von latein. mutatio = Veränderung; Verb mutieren], spontane, d.h. natürlich verursachte, oder durch Mutagene induzierte Veränderung des Erbguts (Veränderung der Basensequenz), die sich möglicherweise phänotypisch (Phänotyp; z.B. in Form einer „Degeneration“) manifestiert.“
  97. Vgl Knippers R., Molekulare Genetik, Thieme, Stuttgart, New York1997, (508) „Mutationen seien vererbbare Veränderungen der genetischen Information.“.
  98. Kap XXV. E. 1. a)(2) »Mythos Genom und Definitionsproblematik beim «.
  99. Mutation – Der Begriff geht auf Botaniker Hugo de Vries zurück und wird im Allgemeinen mit 1901 datiert.
  100. Campbel/eece, Biologie10, Pearson, München 2011 sowie Campbel et al, Biologie10, Pearson, München 2011, Kap 15.1.1, 382 und Kap 23.1.2, 626 (1856).
  101. Themenkomplex Mutagenese [S. XXXIII:77].
  102. Soll ein Organismus, der bspw durch eine Punktmutation verändert worden ist – wie von einem TdL vertreten – nicht als GVO angesehen werden, dann ist auch das GTR nicht einschlägig und der schadensrechtliche Haftungsansatzpunkt wäre somit kein deliktischer iSe Verstoßes gegen das GTR.
  103. Kap XXVI. N. 5. f)(2) »Öffentliches Interesse«, S. XXVI:55 f.
  104. Quelle: Berk Arnold, B. D. et al, Molekulare Zellbiologie, 2. Ausgabe, Walter de Gruyter, Berlin/New York 1996, 281 (1491).
  105. Spektrum, Akademischer Verlag, Heidelberg.
  106. https://www.spektrum.de/lexikon/biologie-kompakt/genmutation/4708
  107. Themenkomplex Mutagenese [S. XXXIII:77].
  108. Kap XI. E. 19. »Klassische Mutagenese und GE-Mutagenese (§ 2 Abs 2 Z 4 GTG)«, S. 696 ff.
  109. Vgl Lexikon der Biologie in: Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 1999.
  110. http://www.spektrum.de/lexikon/biologie/euploidie/22981
  111. Vgl ebda sowie Lexikon der Biologie in: Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 1999.
  112. http://www.biologie-online.eu/genetik/mutation.php
  113. Vgl Aneuploidie – Wikipedia sowie Lexikon der Biologie in: Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2001.
  114. https://de.wikipedia.org/wiki/Aneuploidie
  115. Lexikon der Biologie in: Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2001. „Im Pflanzenreich ist Aneuploidie z.B. beim Stechapfel vorhanden, bei dem Trisomie für alle der zwölf Chromosomen des haploiden Chromosomensatzes und damit verbundene phänotypische Unterschiede beobachtet wurden.“.
  116. http://www.spektrum.de/lexikon/biologie-kompakt/aneuploidie/640
  117. Quelle: By LadyofHats (Own work) [Public domain], via Wikimedia Commons
  118. Humanembryologie Embryogenese: „Ein Chromosomenabschnitt verdoppelt sich und wird auf demselben Chromosom wieder eingebaut.“
  119. http://www.embryology.ch/allemand/kchromaber/abweichende02.html
  120. Quelle: Ebda Abb. 9.
  121. Ebda: „Ein DNA-Stück ist aus dem Chromosom 5 herausgebrochen. Dies führt abhängig davon, wo das Stück herausgebrochen ist und wie lang es ist, zum Verlust mehrerer bis vieler Gene.“
  122. Deficiency, s dazu Katzenschrei-Syndrom in Kap XVI. I. 3. f)(2) »Unbalancierte Translokation«, S. XVI:34; Kap XVI. I. 5. d) »Deletionen und Inversionen«, S. XVI:47.
  123. Quelle: Ebda Abb. 7.
  124. Kap XVI. I. 5. d) »Deletionen und Inversionen«, S. XVI:47.
  125. Quelle: Ebda Abb. 10 und 11.
  126. Quelle: Humanembryologie Embryogenese Abb 12.
  127. Quelle: Ebda Abb 13 und 14.
  128. Vgl Schweiger Ma., Schweiger M.-R. und Schweiger Mo., Biologie und molekulare Medizin: für Mediziner und Naturwissenschaftler, Georg Thieme Verlag, Stuttgart/New York 2015, 189 (432).
  129. Vgl ebda.
  130. Kap ‎ XVI. I. 3. e)»Bildung von Isochromosomen«, S. XVI:33.
  131. Vgl Czihak G., Langer H. und Ziegler H., Biologie: Ein Lehrbuch, 6. Auflage, Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg 1996, 234 (995).
  132. Vgl Schweiger M. et al, 2015, 189.
  133. Quelle: Ebda Abb 15.
  134. Quelle: Ebda Abb 16.
  135. Quelle: By Thomas Splettstoesser (www.scistyle.com – wown work); Wikimedia Commons.
  136. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6d/RNA-codons-aminoacids.svg
  137. Dt: gegensinnig iSv gegenläufig.
  138. Quelle: Wikipedia – Replikation.
  139. https://de.wikipedia.org/wiki/Replikation
  140. Quelle: Nordheim, Knippers et al, Molekulare Genetik, Georg Thieme Verlag 2015.
  141. Prinzip der komplementären Basenpaarung.
  142. Auch kontinuierlicher Strang o Vorwärtsstrang; en: leading strand.
  143. Auch diskontinuierlicher Strang o Rückwärtsstrang; en: lagging strand.
  144. Phosphodiesterbindung.
  145. Prokaryoten verfügen über keinen Zellkern.
  146. Die DNA-Polymerase (Enzym) katalysiert diesen Vorgang.
  147. Quelle: By Dovelike (Own work) [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons.
  148. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f7/DNA_transcription.jpg
  149. C an G, A an U, T an A sowie G an C. U ist der Baustein der RNA, der dem T der DNA entspricht.
  150. Im Normalfall wird das Adenin ggü dem Thymin und das Guanin ggü dem Cytosin eingebaut.
  151. En: proofreading; dt: auch Proof-Reading-Aktivität.
  152. DNA-Reparatur – via medici: leichter lernen – mehr verstehen, vom 20.11.2018.
  153. https://viamedici.thieme.de/lernmodule/biochemie/dna-reparatur
  154. Die statistische Auftrittswahrscheinlichkeit liegt bei etwa 1:1.000.000.000 (1 Milliarde).
  155. Operon – Wikipedia, „Ein Operon ist eine Funktionseinheit der DNA von Prokaryoten (und den von Bakterien abgeleiteten Organellen wie z. B. den Plastiden, siehe Endosymbiontentheorie) sowie manchen Eukaryoten, bestehend aus Promotor, Operator(en) und mehreren (Struktur-)Genen, die für Proteine mit typischerweise verwandten Funktionen codieren.“; mit Verweis auf Miller JH, Suzuki DT, Griffiths AJF, Lewontin RC, Wessler SR, Gelbart WM, Introduction to genetic analysis, 8.Auflage, W.H. Freeman, San Francisco 2005, S. 740.
  156. Eine Serie von Basen.
  157. Still, missense, nonsense, frameshift, read-through.
  158. Deletion oder Insertion: Kap XVI. I. 5. a) »Punktmutationen«, S. XVI:43 ff.
  159. Watson, Bell, Gann et al, Molekularbiologie, Pearson Deutschland GmbH, München 2011, 362 (918); sa Glossar: CSSR.
  160. Quelle: By Robert Kohlmann (Aminoacids_table.svg) [CC0], via Wikimedia Commons.
  161. Auch neutrale oder stille Mutationen genannt.
  162. Quelle: By Robert Kohlmann (Aminoacids_table.svg) [CC0], via Wikimedia Commons; bearbeitet durch den Verfasser.
  163. Quelle: U.S. National Library of Medicine.
  164. S dazu Stopp-Signal in Codon-Sonne Aminosäurenamen (Abb 4).
  165. Es wird ein bloß ein Polypetid (s Glossar) gebildet.
  166. Quelle: U.S. National Library of Medicine.
  167. Quelle: ebda.
  168. S. Glossar: Frame Shift oa Leseraster-Mutation.
  169. S. Glossar.
  170. Quelle: ebda.
  171. Vgl Knippers, Molekulare Genetik, 9., komplett überarbeitete Auflage, Georg Thieme Verlag, Stuttgart, New York 2006, 250 (567).
  172. Quelle: ebda 251. Unterstrichene Sequenzen befinden sich im korrekten Leseraster.
  173. Spektrum, Akademischer Verlag, Heidelberg.
  174. https://www.spektrum.de/lexikon/biologie-kompakt/genmutation/4708
  175. Themenkomplex Mutagenese [S. XXXIII:77].
  176. Kap XI. E. 19. »Klassische Mutagenese und GE-Mutagenese (§ 2 Abs 2 Z 4 GTG)«, S. 696 ff.
  177. Vgl Lexikon der Biologie in: Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 1999.
  178. http://www.spektrum.de/lexikon/biologie/euploidie/22981
  179. Vgl ebda sowie Lexikon der Biologie in: Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 1999.
  180. http://www.biologie-online.eu/genetik/mutation.php
  181. Vgl Aneuploidie – Wikipedia sowie Lexikon der Biologie in: Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2001.
  182. https://de.wikipedia.org/wiki/Aneuploidie
  183. Lexikon der Biologie in: Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2001. „Im Pflanzenreich ist Aneuploidie z.B. beim Stechapfel vorhanden, bei dem Trisomie für alle der zwölf Chromosomen des haploiden Chromosomensatzes und damit verbundene phänotypische Unterschiede beobachtet wurden.“.
  184. http://www.spektrum.de/lexikon/biologie-kompakt/aneuploidie/640
  185. Quelle: By LadyofHats (Own work) [Public domain], via Wikimedia Commons
  186. Humanembryologie Embryogenese: „Ein Chromosomenabschnitt verdoppelt sich und wird auf demselben Chromosom wieder eingebaut.“
  187. http://www.embryology.ch/allemand/kchromaber/abweichende02.html
  188. Quelle: Ebda Abb. 9.
  189. Ebda: „Ein DNA-Stück ist aus dem Chromosom 5 herausgebrochen. Dies führt abhängig davon, wo das Stück herausgebrochen ist und wie lang es ist, zum Verlust mehrerer bis vieler Gene.“
  190. Deficiency, s dazu Katzenschrei-Syndrom in Kap XVI. I. 3. f)(2) »Unbalancierte Translokation«, S. XVI:34; Kap XVI. I. 5. d) »Deletionen und Inversionen«, S. XVI:47.
  191. Quelle: Ebda Abb. 7.
  192. Kap XVI. I. 5. d) »Deletionen und Inversionen«, S. XVI:47.
  193. Quelle: Ebda Abb. 10 und 11.
  194. Quelle: Humanembryologie Embryogenese Abb 12.
  195. Quelle: Ebda Abb 13 und 14.
  196. Vgl Schweiger Ma., Schweiger M.-R. und Schweiger Mo., Biologie und molekulare Medizin: für Mediziner und Naturwissenschaftler, Georg Thieme Verlag, Stuttgart/New York 2015, 189 (432).
  197. Vgl ebda.
  198. Kap ‎ XVI. I. 3. e)»Bildung von Isochromosomen«, S. XVI:33.
  199. Vgl Czihak G., Langer H. und Ziegler H., Biologie: Ein Lehrbuch, 6. Auflage, Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg 1996, 234 (995).
  200. Vgl Schweiger M. et al, 2015, 189.
  201. Quelle: Ebda Abb 15.
  202. Quelle: Ebda Abb 16.
  203. Quelle: By Thomas Splettstoesser (www.scistyle.com – wown work) [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], via Wikimedia Commons.
  204. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6d/RNA-codons-aminoacids.svg
  205. Dt: gegensinnig iSv gegenläufig.
  206. Quelle: Wikipedia – Replikation.
  207. https://de.wikipedia.org/wiki/Replikation
  208. Quelle: Nordheim, Knippers et al, Molekulare Genetik, Georg Thieme Verlag 2015.
  209. Prinzip der komplementären Basenpaarung.
  210. Auch kontinuierlicher Strang o Vorwärtsstrang; en: leading strand.
  211. Auch diskontinuierlicher Strang o Rückwärtsstrang; en: lagging strand.
  212. Phosphodiesterbindung.
  213. Prokaryoten verfügen über keinen Zellkern.
  214. Die DNA-Polymerase (Enzym) katalysiert diesen Vorgang.
  215. Quelle: By Dovelike (Own work) [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons.
  216. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f7/DNA_transcription.jpg
  217. C an G, A an U, T an A sowie G an C. U ist der Baustein der RNA, der dem T der DNA entspricht.
  218. Im Normalfall wird das Adenin ggü dem Thymin und das Guanin ggü dem Cytosin eingebaut.
  219. En: proofreading; dt: auch Proof-Reading-Aktivität.
  220. DNA-Reparatur – via medici: leichter lernen – mehr verstehen, vom 20.11.2018.
  221. https://viamedici.thieme.de/lernmodule/biochemie/dna-reparatur
  222. Die statistische Auftrittswahrscheinlichkeit liegt bei etwa 1:1.000.000.000 (1 Milliarde).
  223. Operon – Wikipedia, „Ein Operon ist eine Funktionseinheit der DNA von Prokaryoten (und den von Bakterien abgeleiteten Organellen wie z. B. den Plastiden, siehe Endosymbiontentheorie) sowie manchen Eukaryoten, bestehend aus Promotor, Operator(en) und mehreren (Struktur-)Genen, die für Proteine mit typischerweise verwandten Funktionen codieren.“; mit Verweis auf Miller JH, Suzuki DT, Griffiths AJF, Lewontin RC, Wessler SR, Gelbart WM, Introduction to genetic analysis, 8.Auflage, W.H. Freeman, San Francisco 2005, S. 740.
  224. Eine Serie von Basen.
  225. Still, missense, nonsense, frameshift, read-through.
  226. Deletion oder Insertion: Kap XVI. I. 5. a) »Punktmutationen«, S. XVI:43 ff.
  227. Watson, Bell, Gann et al, Molekularbiologie, Pearson Deutschland GmbH, München 2011, 362 (918); sa Glossar: CSSR.
  228. Quelle: By Robert Kohlmann (Aminoacids_table.svg) [CC0], via Wikimedia Commons.
  229. Auch neutrale oder stille Mutationen genannt.
  230. Quelle: By Robert Kohlmann (Aminoacids_table.svg) [CC0], via Wikimedia Commons; bearbeitet durch den Verfasser.
  231. Quelle: U.S. National Library of Medicine.
  232. S dazu Stopp-Signal in Codon-Sonne Aminosäurenamen (Abb 4).
  233. Es wird ein bloß ein Polypetid (s Glossar) gebildet.
  234. Quelle: U.S. National Library of Medicine.
  235. Quelle: ebda.
  236. S. Glossar: Frame Shift oa Leseraster-Mutation.
  237. S. Glossar.
  238. Quelle: ebda.
  239. Vgl Knippers, Molekulare Genetik, 9., komplett überarbeitete Auflage, Georg Thieme Verlag, Stuttgart, New York 2006, 250 (567).
  240. Quelle: ebda 251. Unterstrichene Sequenzen befinden sich im korrekten Leseraster.