Der Kollaps in der 58. Generation
Nach zwei Jahrzehnten kontinuierlicher Experimente sind japanische Wissenschaftler bei dem Versuch, Säugetiere unbegrenzt zu klonen, an eine biologische Grenze gestoßen. In einer Studie von 2005 bis 2025 erzeugten Forschende der Universität Yamanashi erfolgreich mehr als 1.200 geklonte Mäuse aus einer einzigen Spendermäusin und erreichten 57 aufeinanderfolgende Klon-Generationen. Als sie jedoch die 58. Generation erzeugen wollten, starben sämtliche Neugeborenen innerhalb eines Tages nach der Geburt. Damit wurde erstmals empirisch belegt, dass Säugetiere ihre Art nicht allein durch Klonen erhalten können.
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Die in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlichte Studie weist eine klare Obergrenze für das wiederholte Klonen von Säugetieren nach. Damit widerspricht sie früheren Annahmen, der Prozess könne bei sorgfältiger Durchführung unbegrenzt fortgesetzt werden. Der federführende Autor Teruhiko Wakayama, ein Entwicklungsbiologe, der seine Laufbahn der Klonforschung gewidmet hat, zeigte sich enttäuscht über die Ergebnisse.
Wir hatten geglaubt, unendlich viele Klone erzeugen zu können. Deshalb sind diese Ergebnisse so enttäuschend. Im Moment haben wir keine Idee, wie sich diese Einschränkung überwinden ließe.
Das von den Forschenden als „Mutationskollaps“ bezeichnete Phänomen bestätigt eine hundert Jahre alte Evolutionstheorie, bekannt als Mullers Ratsche. Sie besagt, dass sich bei ungeschlechtlicher Fortpflanzung zwangsläufig schädliche Mutationen ansammeln, bis eine Abstammungslinie nicht mehr lebensfähig ist. Pflanzen und einige niedere Tiere können sich offenbar unbegrenzt durch Klonen vermehren. Säugetiere scheinen jedoch biologisch nicht in der Lage zu sein, dieser genetischen Falle zu entkommen.
Ein genetischer Marathon über zwei Jahrzehnte
Das Experiment begann im Januar 2005. Damals erzeugte Wakayamas Team mithilfe des somatischen Zellkerntransfers den ersten Klon aus einer Spendermäusin mit braunem Fell. Bei dieser Technik wird der Zellkern aus einer Spenderzelle entfernt – in diesem Fall aus einer Kumuluszelle, die heranreifende Eizellen versorgt – und in eine unbefruchtete Eizelle eingesetzt, deren ursprünglicher Zellkern zuvor entfernt wurde. Mit derselben Methode entstanden 1996 das Schaf Dolly und 1998 Cumulina, die erste geklonte Maus.
Als der erste Klon drei Monate alt war, klonten die Forschenden sie und anschließend wiederum deren Klon. Diesen Zyklus wiederholten sie alle drei bis vier Monate. Alle späteren Klone waren weiblich und hatten wie die ursprüngliche Spendermäusin braunes Fell. Das Team achtete während des gesamten Experiments auf eine strenge Vereinheitlichung: Dieselben zwei Forschenden führten den Zellkerntransfer in allen Generationen durch, um möglichst wenige Einflussfaktoren zu haben.
In den ersten 25 Generationen waren die Ergebnisse äußerst vielversprechend. Die Erfolgsquote stieg sogar: von 7 Prozent bei den ersten Versuchen auf 15,5 Prozent in der 26. Generation. Die Mäuse zeigten keine sichtbaren körperlichen Auffälligkeiten, lebten mit etwa zwei Jahren eine normale Lebensspanne und brachten bei der Paarung mit normalen Männchen gesunde Nachkommen zur Welt. 2013 veröffentlichte Wakayamas Team vorläufige Ergebnisse, denen zufolge das wiederholte Klonen vermutlich unbegrenzt fortgesetzt werden könne.
In dieser ersten Studie hatten die Forschenden jedoch keine umfassende genetische Sequenzierung vorgenommen. Als sie das Experiment weitere 13 Jahre fortsetzten und die Genome von Klonen verschiedener Generationen untersuchten, entdeckten sie ein beunruhigendes Muster: Mutationen häuften sich an und sollten der Klonlinie schließlich zum Verhängnis werden.
Das Problem mit der Fotokopie
Bei der Analyse der vollständigen Genomsequenzen von zehn geklonten Mäusen aus den Generationen sechs bis 57 identifizierten die Forschenden etwa 3.700 Einzelnukleotidvarianten und 80 Insertionen und Deletionen, die sich im Laufe der Abstammungslinie angesammelt hatten. Jede Generation fügte dem genetischen Code durchschnittlich 69,4 Veränderungen einzelner Nukleotide und 1,4 strukturelle Varianten hinzu. Diese Raten sind in mancher Hinsicht mit natürlichen Mutationsraten vergleichbar. Der entscheidende Unterschied besteht jedoch darin, was im Laufe der Zeit mit diesen Fehlern geschieht.
Die Forschenden verglichen den Vorgang mit dem wiederholten Fotokopieren eines Bildes. Die erste Kopie sieht dem Original fast identisch, weist aber winzige Unvollkommenheiten auf. Wird diese Kopie erneut kopiert, summieren sich die Fehler. Nach Dutzenden Durchläufen hat das Bild kaum noch Ähnlichkeit mit dem Original. Biologisch gesehen fehlt schädlichen Mutationen ohne die genetische Neukombination bei der geschlechtlichen Fortpflanzung ein Mechanismus, durch den sie aus der Abstammungslinie entfernt werden könnten.
Ab der 27. Generation traten vermehrt größere strukturelle Abweichungen auf, darunter Chromosomentranslokationen und der Verlust der Heterozygotie. Mehrere Mäuse verloren vollständige Kopien ihres X-Chromosoms. Dieser Defekt wurde in späteren Generationen immer häufiger. Diese strukturellen Varianten erwiesen sich als besonders gefährlich, weil sie größere Bereiche des Genoms betrafen als einfache Punktmutationen.
Die Mutationslast war dreimal so hoch wie bei Mäusen, die durch natürliche Paarung entstanden waren. In der 57. Generation war die Überlebensrate auf 0,6 Prozent gesunken. Die Tiere, die nach außen hin gesund wirkten, trugen tödliche genetische Schäden, die sich in der 58. Generation fatal auswirkten.
Warum geschlechtliche Fortpflanzung wichtig ist
Die Studie liefert überzeugende Belege dafür, warum sich bei Säugetieren die geschlechtliche Fortpflanzung und nicht ungeschlechtliches Klonen entwickelt hat. Als die Forschenden geklonte Weibchen aus der 20., 50. und 55. Generation mit normalen Mäusemännchen paarten, zeigte sich ein deutlicher Unterschied. Klone der 20. Generation hatten im Durchschnitt 9,9 Jungtiere pro Wurf – ähnlich viele wie natürlich gezeugte Mäuse. Klone der 50. Generation kamen dagegen auf 2,8 Jungtiere pro Wurf, Klone der 55. Generation nur noch auf 2,2.
Besonders wichtig war, dass sich die Wurfgröße bei den Nachkommen dieser Mäuse – den Enkeln der ursprünglichen Klone – wieder auf 7,0 Jungtiere erhöhte. Genetische Analysen zeigten außerdem, dass sich die Genome normalisiert hatten. Durch chromosomale Neukombination und natürliche Selektion hatte die geschlechtliche Fortpflanzung die angesammelten Mutationen wirksam herausgefiltert.
Wakayama erklärte den Mechanismus knapp:
Beim Klonen werden alle Gene an die nächste Generation weitergegeben. Das bedeutet, dass auch alle defekten Gene weitergegeben werden. Da sich diese Mutationen immer weiter ansammeln, können Säugetiere ihre Art nicht durch Klonen erhalten.
Die Ergebnisse stützen Mullers Ratsche, ein theoretisches Modell, das der Genetiker Hermann Joseph Muller 1932 vorgeschlagen hat. Es besagt, dass sich in ungeschlechtlichen Abstammungslinien zwangsläufig schädliche Mutationen ansammeln, bis es zum „Mutationskollaps“ und zum Aussterben kommt. Bakterien und manche einfachen Tiere können Mutationen auf anderem Wege beseitigen. Säugetiere scheinen jedoch auf die genetische Durchmischung bei der geschlechtlichen Fortpflanzung angewiesen zu sein, um die Integrität ihres Erbguts über Generationen hinweg zu bewahren.
Technische Grenzen und biologische Realität
Während des gesamten Experiments verwendeten die Forschenden Trichostatin A (TSA), einen Histondeacetylase-Hemmer. Er fördert die Neuprogrammierung des Zellkerns, indem er die Verpackung der DNA durch Proteine lockert und so dafür sorgt, dass Gene während der frühen Embryonalentwicklung korrekt aktiviert werden können. Diese chemische Unterstützung war für die frühen Erfolge entscheidend: Sie erhöhte die Effizienz des Klonens im Vergleich zu Standardverfahren um bis zu das Sechsfache.
Auch nach 50 Generationen wirkte TSA weiterhin: Mit der Substanz behandelte Zellkerntransfers erreichten eine Erfolgsquote von 5,4 Prozent, ohne Behandlung waren es 1,6 Prozent. Das zeigte, dass die Misserfolge in den späteren Generationen nicht auf epigenetische Auffälligkeiten zurückgingen – also Fehler darin, wie Gene abgelesen werden –, sondern auf fest in der DNA-Sequenz verankerte genetische Mutationen.
Die Analyse ergab, dass Eizellen von Klonen später Generationen sowohl in ihrem Zellkern als auch in ihrem Zellplasma geschädigt waren. Als die Forschenden den Zellkern einer Eizelle eines Klons der 56. Generation durch gesundes Erbgut ersetzten oder das Zellplasma austauschten und den Zellkern des Klons beibehielten, entwickelten sich beide Kombinationen schlecht. Das deutete auf umfassende Zellschäden hin.
Trotz dieser genetischen Belastung blieben die meisten Klone später Generationen, die bis zur Geburt überlebten, äußerlich gesund. Sie hatten eine normale Lebenserwartung und zeigten keine sichtbaren körperlichen Auffälligkeiten. Ihre Plazenten waren ungewöhnlich groß, funktionierten aber normal. Diese Widerstandsfähigkeit zeigt, dass Säugetiere genetische Variationen auf Ebene des Organismus überraschend gut tolerieren – auch wenn die sich ansammelnden Mutationen das fortgesetzte Klonen schließlich unmöglich machten.
Folgen für den Artenschutz und die Industrie
Die Ergebnisse lassen erhebliche Zweifel an spekulativen Anwendungen der Klontechnik aufkommen, die die öffentliche Fantasie und Forschungsgelder auf sich gezogen haben. Artenschützer hatten gehofft, bedrohte Arten durch geklonte Reservepopulationen aus konservierten Zellen retten zu können. Auch in der Agrarforschung gab es die Vorstellung, besonders leistungsfähige Nutztiere wie Wagyu-Rinder in großer Zahl zu klonen, um hochwertiges Fleisch erschwinglicher zu machen.
Die Studie deutet darauf hin, dass diesen Anwendungen grundlegende biologische Grenzen gesetzt sind. Einzelne Tiere zu klonen bleibt zwar möglich, doch bei Säugetieren lassen sich offenbar keine dauerhaft lebensfähigen Populationen durch wiederholtes Klonen aufbauen. Selbst für eine genetische Sammlung in einem eingefrorenen „Saatgut-Tresor“, aus dem Arten nach einer Apokalypse wiederhergestellt werden sollen, wäre geschlechtliche Fortpflanzung nötig, um angesammelte Mutationen zu beseitigen. Das bloße Klonen konservierter Zellen würde nicht ausreichen.
Die Forschung nimmt auch Science-Fiction-Szenarien mit Armeen identischer Klone den Wind aus den Segeln. Wakayama merkte mit einem Augenzwinkern an, die Ergebnisse machten die Erschaffung der Klonkrieger aus dem Star-Wars-Prequel „Angriff der Klonkrieger“ unmöglich. Auch die spezialisierte Branche für Haustierklonen, die Tausende Dollar für das Klonen verstorbener Katzen und Hunde verlangt, muss sich fragen, wie genetisch originalgetreu die Klone tatsächlich sind.
Die Forschenden betonten, dass Klone keine perfekten Kopien der ursprünglichen Spendertiere sind. Dieses Missverständnis hielt sich vor der Studie sogar unter einigen Wissenschaftlern. Jeder Klon trägt einzigartige Mutationen, die ihn genetisch sowohl vom Original als auch von seinen Klon-Geschwistern unterscheiden.
Auf der Suche nach Lösungen
Wakayama räumt ein, dass es mit der heutigen Technik keine Möglichkeit gibt, das Problem der sich ansammelnden Mutationen zu umgehen.
sagte er, ohne einen konkreten Weg für eine solche Innovation zu nennen.Ich glaube, wir müssen ein neues Verfahren entwickeln, das die Zellkerntransfertechnik grundlegend verbessert,
Ein anderer Ansatz könnte darin bestehen, geklonte Linien regelmäßig wieder geschlechtlich fortzupflanzen, um die Mutationslast abzubauen, bevor das Klonen fortgesetzt wird. Damit würde allerdings der Zweck zunichtegemacht, genetisch reine Linien zu erhalten. Mit Methoden der Genomeditierung ließen sich Mutationen theoretisch korrigieren, bevor sie sich ansammeln. Technisch ist es jedoch weiterhin schwierig, unter Tausenden angesammelten Varianten die schädlichen zu identifizieren.
Wegen der langen Laufzeit ist es unwahrscheinlich, dass die Studie bald wiederholt wird. Die Forschenden unternahmen in 20 Jahren mehr als 30.000 Zellkerntransfer-Versuche. Dafür waren Ressourcen und Geduld nötig, über die nur wenige Labore verfügen. Nach heutigen Maßstäben würden europäische Vorschriften für Tierversuche ein derart langes Experiment wahrscheinlich verbieten. Damit ist diese einzigartige Datensammlung womöglich noch jahrelang ohne Vergleich.
Das Wichtigste in Kürze
- Japanische Forschende klonten über 20 Jahre hinweg Mäuse in 58 aufeinanderfolgenden Generationen und erzeugten 1.206 Tiere aus einer einzigen Spendermäusin.
- Alle Klone der 58. Generation starben innerhalb eines Tages nach der Geburt. Damit wurde erstmals eine empirische Grenze für das wiederholte Klonen von Säugetieren nachgewiesen.
- Genetische Mutationen häuften sich dreimal so schnell an wie bei natürlicher Fortpflanzung. Dazu zählten der Verlust von X-Chromosomen und größere strukturelle Veränderungen der DNA.
- Die Ergebnisse bestätigen Mullers Ratsche: Ungeschlechtliche Fortpflanzung führt bei Säugetieren zwangsläufig zum „Mutationskollaps“.
- Geschlechtliche Fortpflanzung konnte die Mutationsansammlung umkehren: Als Klone später Generationen mit normalen Männchen gepaart wurden, bekamen sie gesunde Enkel.
- Die Rettung bedrohter Arten, die Massenproduktion von Nutztieren und das Klonen von Haustieren stoßen wegen dieser genetischen Grenzen auf grundlegende biologische Beschränkungen.
- Die Forschenden kamen zu dem Schluss, dass Säugetiere anders als Pflanzen und niedere Tiere ihre Art nicht unbegrenzt durch Klonen erhalten können.
