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Geschlechterkonflikt im frühen Embryo: Elternspezifische Reprogrammierung des väterlichen und mütterlichen Erbguts nach der Befruchtung

Dtsch Arztebl 2003; 100(36): A-2300 / B-1916 / C-1815

Haaf, Thomas

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Zusammenfassung
Im frühen Säugerembryo findet eine epigenetische Reprogrammierung von väterlichem und mütterlichem Genom statt. Um die Totipotenz der embryonalen Zellen wiederherzustellen, müssen die elternspezifisch modifizierten Erbanlagen aus Spermium und Eizelle für die somatische Entwicklung kompetent gemacht werden. Genomweite Veränderungen der DNA-Methylierung spielen dabei eine entscheidende Rolle. In der befruchteten Eizelle kommt es innerhalb weniger Stunden zu einer aktiven Demethylierung des väterlichen Genoms, während das mütterliche Genom erst nach dem Zweizellembryonalstadium schrittweise demethyliert wird. Diese Asymmetrie ist Ausdruck eines Geschlechterkonfliktes. Die Eizelle, das heißt das mütterliche Genom, versucht aus der männlichen Keimbahn vererbte Methylierungsmuster, die das Embryowachstum im väterlichen Sinne beeinflussen, weitgehend auszulöschen. Störungen bei diesem hoch koordinierten Prozess sind wahrscheinlich eine wichtige Ursache für den Verlust von Embryonen und abnormale Entwicklungen. Langzeitstudien zur Abschätzung des epigenetischen Risikos für das Auftreten von Reprogrammierungsfehlern bei künstlicher Fortpflanzung sind dringend notwendig.

Schlüsselwörter: DNA-Methylierung, früher Embryo, genomische Prägung, Genomreprogrammierung, künstliche Fortpflanzung

Summary
The Battle of the Sexes in the Early
Embryo: Parent-Specific Reprogramming of the Paternal and Maternal Genomes after Fertilization In the early diploid mammalian embryo, the paternal and maternal genomes undergo epigenetic reprogramming of the two very different gamete nuclei for somatic development and formation of totipotent embryonal cells. Genome-wide opposing patterns in DNA methylation are fundamental to this process. Active demethylation of the paternal genome occurs within a few hours in the fertilized egg, whereas similar demethylation of the maternal genome occurs passively step by step after the two-cell embryo stage. This asymmetry can be viewed as a battle of the two sexes, in which the egg which carries the maternal genome tries to strip off male germline-derived methylation patterns. Disturbances in this highly coordinated process may contribute to pregnancy failure and abnormal development. Long-term follow up studies are needed to estimate the epigenetic risk of reprogramming defects associated with assisted reproductive technologies.

Key words: DNA methylation, early embryo, genomic imprinting, genome reprogramming, assisted, reproductive technology,

Wie alle höheren Lebewesen besitzt der Mensch ein diploides somatisches Genom. Das Genom ist die Summe aller DNA-Sequenzen eines Individuums. Bei der Befruchtung werden ein väterliches und ein mütterliches Genom vereinigt und bilden damit einen neuen Organismus. Kerntransferexperimente im Modellorganismus Maus haben erstmals die funktionelle Nichtäquivalenz der beiden elterlichen Genome für die embryonale Entwicklung gezeigt (24, 35). Androgenetische Embryonen mit zwei männlichen Genomen (Grafik 1) sind im Wachstum stark retardiert, während Trophoblast und Dottersack relativ gut ausgebildet sind. Dagegen entwickeln sich gynogenetische Embryonen mit zwei weiblichen Genomen relativ normal bis zur Schwangerschaftsmitte, haben aber kaum extraembryonales Gewebe. In beiden Fällen kommt es zum vorzeitigen Absterben der Schwangerschaft. Ursache ist die elternspezifische Prägung (Imprinting) von einigen Genen, die ausschließlich von den väterlichen beziehungsweise mütterlichen Chromosomen exprimiert werden (4, 6, 36). Eine normale Entwicklung und ein normaler Phänotyp erfordern deshalb nicht nur einen diploiden Chromosomensatz, sondern auch eine biparentale (väterliche und mütterliche) Vererbung.
Bei uniparentalen Disomien (UPD) stammen beide Chromosomen eines Paarlings, zum Beispiel beide Chromosomen 15 von einem Elternteil, während alle übrigen Chromosomen in einer väterlichen und einer mütterlichen Kopie vorliegen. Uniparentale Disomien kommen wahrscheinlich dadurch zustande, dass Embryonen, die aufgrund von Chromosomenfehlverteilungen in der mütterlichen oder väterlichen Meiose beispielsweise eine Trisomie 15 oder eine Monosomie 15 aufweisen, durch den zufälligen Verlust eines überzähligen Chromosoms 15 beziehungsweise eine Chromosomenduplikation in einer der ersten Teilungen nach der Befruchtung „gerettet“ werden (Grafik 2). Mit Ausnahme der Geschlechtschromosomen führt das Fehlen eines Chromosoms immer zum Schwangerschaftsverlust. Trisomien sind nur für die Chromosomen
21 (Down-Syndrom), 13 (Pätau-Syndrom) und 18 (Edwards-Syndrom) sowie für die Geschlechtschromosomen überlebensfähig. Entsteht durch solche embryonalen „Rettungsversuche“ aus aneuploiden Zellen eine maternale oder paternale UPD 15, beobachtet man sehr unterschiedliche Krankheitsbilder (11, 15). Das Prader-Willi-Syndrom infolge maternaler UPD 15 ist durch Stammfettsucht und kurze Extremitäten mit kleinen Händen und Füßen charakterisiert. Im Neugeborenenstadium beobachtet man eine Muskelhypotonie und Trinkschwäche, die nach etwa einem Jahr in eine Fresssucht übergeht. Kinder mit Angelman-Syndrom infolge paternaler UPD 15 werden wegen der ataktischen puppenartigen Bewegungen, des lachenden Gesichtsausdrucks und der inadäquaten Lachanfälle auch als „happy puppet“ beschrieben. Sie entwickeln meist keine Sprache und leiden an progredienten Krampfanfällen. Die mentale Retardierung ist sehr viel schwerer als beim Prader-Willi-Syndrom. In der für Prader-Willi- und Angelman-Syndrom kritischen Chromosomenregion 15q11-13 liegt eine Gruppe von väterlich beziehungsweise mütterlich geprägten Genen. Das Fehlen der väterlichen Genexpression bei maternaler UPD 15 bewirkt den Prader-Willi-Phänotyp, während das Fehlen der mütterlichen Genexpression bei paternaler UPD 15 mit dem Angelman-Syndrom einhergeht.
Eine andere geprägte Region liegt auf Chromosom 11p15. Bei paternaler UPD 11 bewirkt die Überexpression des väterlich exprimierten embryonalen Wachstumsfaktors Igf2 (insulin like growth factor 2) einen prä- und postnatalen Gigantismus, das so genannte Beckwith-Wiedemann-Syndrom. Weitere Auffälligkeiten sind Exomphalos, Makroglossie, Viszeromegalie und ein akzeleriertes Knochenwachstum. Die geistige Entwicklung ist dagegen normal. Etwa 10 Prozent der Beckwith-Wiedemann-Patienten entwickeln embryonale Mischtumoren der Niere. Für die meisten menschlichen Chromosomen wurden inzwischen UPD gefunden.
Bisher sind aber nur die paternale UPD 6 (transienter neonataler Diabetes), die maternale UPD 7 (Russell-Silver-Syndrom, Wachstumsstörungen), die paternale UPD 11, die maternale und paternale UPD 14 (multiple Fehlbildungen und Entwicklungsstörungen), sowie die maternale und paternale UPD 15 mit charakteristischen Krankheitsbildern verknüpft (10, 21). Bei manchen Chromosomen, zum Beispiel 13, 21 und 22, scheinen UPD
keine phänotypischen Auswirkungen zu haben. UPD, die sehr früh in der Schwangerschaft zum Abort führen oder nur mit relativ unspezifischen Merkmalen (zum Beispiel Wachstumsstörungen, Fertilitätsprobleme oder erhöhtes Krebsrisiko) einhergehen, sind allerdings nur sehr schwer nachzuweisen. Andererseits zeigen nur einige Dutzend bis 100 der 30 000 bis 40 000 menschlichen Gene eine elternspezifische Aktivität. Da diese relativ wenigen Gene nicht zufällig im Genom verteilt, sondern in Gruppen angeordnet sind (4, 6, 36), müssen nicht auf allen Chromosomen geprägte Regionen vorhanden sein.
Passwort-Kodierung der elterlichen Genome durch DNA-Methylierung
Die elternspezifische Prägung von Genen und Genomen findet in der väterlichen und mütterlichen Keimbahn statt. Während der Reifung der Geschlechtszellen erhalten die Chromosomen beider Elternteile verschiedene Kodierungen in Form von DNA-Methylierung, die kritisch für die Regulation der väterlichen und mütterlichen „Interessen“ bei der Entwicklung des Embryos in der nächsten Generation sind. Durch enzymatische Methylierung bestimmter Cytosinbasen wird die Chromatinstruktur und damit die Zugänglichkeit von Genen für die Transkriptionsmaschinerie gezielt beeinflusst (2, 30). Im Gegensatz zu Mutationen, welche die Basenabfolge im DNA-Molekül irreversibel verändern, wird durch Methylierung die „Lesbarkeit“ der Gensequenz reversibel modifiziert. Dieses Phänomen wird als Epigenetik bezeichnet. In Analogie zu Computerdatenbanken, in denen das Zugriffsrecht auf elektronisch abgespeicherte Informationen durch Passworte reguliert wird, verteilt die DNA-Methylierung die Leserechte für genetische Informationen. Durch das Setzen von Methylierungsmustern werden Gene oder ganze Genomabschnitte für den „User“, das heißt die Zelle, lesbar beziehungsweise unlesbar gemacht. Eine Leberzelle benötigt andere Informationen aus dem gesamten genetischen Repertoire (Genom) eines Organismus als eine Muskelzelle. Die zelltypspezifische Methylierungskodierung ist in der Regel stabil und wird bei der Zellteilung an beide Tochterzellen weitergegeben („vererbt“). Entwicklungs- und Differenzierungsprozesse sind aber nur möglich, wenn die dazu benötigten passwortgeschützten Gene durch Demethylierung wieder lesbar gemacht und nicht mehr relevante Gene durch Methylierung inaktiviert werden. Die Methylierungsmuster und damit das genetische Programm einer Zelle müssen also veränderbar sein (Grafik 3).
Epigenetische Reprogrammierung im frühen Säugerembryo
Der Einzellembryo (befruchtete Eizelle, Zygote) wird von zwei sehr unterschiedlichen Arten von Chromatin gebildet. Die Spermien-DNA ist durch Protamine in eine fast kristalline Struktur kondensiert. Protamine sind sehr kleine basische DNA-Verpackungsproteine, die in den Spermienchromosomen die Histonproteine ersetzen. In somatischen Zellen und in der Eizelle besitzt das Chromatin eine nukleosomale (perlenkettenförmige) Struktur. Jeweils zwei Histonproteine H2a, H2b, H3 und H4 bilden das Nukleosom, um das sich die DNA-Doppelhelix windet. Die histonverpackten Chromosomen der Eizelle sind sehr viel weniger kondensiert als die Spermienchromosomen und im zweiten meiotischen Metaphasestadium arretiert. Erst nach der Befruchtung komplettiert die Eizelle die Meiose durch Ausstoßung des zweiten Polkörperchens (27). In der befruchteten Eizelle und den darauf folgenden frühen Embryonalstadien findet eine dramatische Reprogrammierung von Spermien- und Eizellgenom in ein neues diploides somatisches Genom statt. Dadurch wird die Totipotenz, das heißt die Fähigkeit der embryonalen Zellen, ein ganzes Individuum zu bilden, wieder hergestellt. Bei diesem Prozess spielen genomweite Veränderungen der DNA-Methylierung eine entscheidende Rolle.
Mit Ausnahme der wenigen geprägten Gene, deren keimbahnspezifische Methylierungsmuster die gesamte Entwicklung hindurch erhalten bleiben, kommt es im frühen Embryo zu einer genomweiten Demethylierung der väterlichen und mütterlichen Erbanlagen. Diese postzygotische Demethylierung ist wahrscheinlich notwendig, um die in der männlichen und weiblichen Keimbahn erworbenen elternspezifischen DNA-Modifikationen weitgehend auszulöschen und die embryonalen Zellen für eine somatische Entwicklung zu reprogrammieren. Erst nach Entfernung der keimbahnspezifischen epigenetischen Modifikationen werden entwicklungsspezifische somatische Methylierungsmuster gesetzt. Interessanterweise gibt es bei der Methylierungsreprogrammierung Unterschiede zwischen den Spezies. Bei der Maus findet die Remethylierung der embryonalen Zellen erst in der Blastozyste statt (Grafik 4), beim Rind dagegen bereits im 8- bis 16-Zellstadium (26, 28). Es ist wichtig anzumerken, dass diese dramatischen Prozesse im frühen Embryo beinahe oder vollständig unter mütterlicher Kontrolle ablaufen. Im Gegensatz zum Spermium liefert die befruchtete Eizelle nämlich nicht nur das mütterliche Genom, sondern auch die zelluläre Maschinerie für die Reprogrammierung von väterlichem und mütterlichem Genom.
Geschlechterkonflikt
beginnt unmittelbar nach
der Befruchtung
Durch Antikörper gegen 5-Methylcytosin kann die Dynamik der Reprogrammierungsvorgänge im frühen Mausembryo direkt sichtbar gemacht werden (22, 31). Das Spermienchromatin wird in der befruchteten Eizelle zunächst dekondensiert und die Protamine werden gegen Histone ausgetauscht. Es bildet sich der väterliche Vorkern, der bei
der Maus etwas größer ist als der mütterliche. Die Immunfluoreszenzfärbung zeigt, dass beide elterlichen Genome nach der Befruchtung hochmethyliert sind (Abbildung 1a, b). Väterliches und mütterliches Genom sind in der befruchteten Eizelle zunächst noch durch eigene Kernmembranen voneinander getrennt (Abbildung 1c). In diesem Vorkernstadium wird das väterliche Genom innerhalb von ein bis zwei Stunden drastisch demethyliert, während das mütterliche Genom gleichmäßig methyliert bleibt (Abbildung 1d). Da dieser Prozess sehr rasch und noch vor der ersten DNA-
Verdoppelung stattfindet, muss es sich um eine aktive Demethylierung handeln (Grafik 3). Erst im späten Einzellembryo lösen sich die Vorkernmembranen auf und väterliches und mütterliches Erbgut kommen zum ersten Mal in direkten Kontakt. Ab diesem Zeitpunkt gilt die befruchtete entwicklungsfähige menschliche Eizelle als Embryo im Sinne des Embryonenschutzgesetzes (13). Erstaunlicherweise kommt es nach der Kernverschmelzung aber nicht zu einer sofortigen Durchmischung von väterlichen und mütterlichen Erbanlagen, wie das Embryonenschutzgesetz unterstellt. In der ersten Mitose liegen sich hochmethylierte mütterliche und demethylier-
te väterliche Chromosomen getrennt gegenüber (Abbildung 1e). Der Methylierungsgrad der mütterlichen DNA bleibt von der unbefruchteten Eizelle bis zum Zweizellstadium unverändert. In beiden Zellkernen eines Zweizellembryos imponieren eine methylierte mütterliche und eine demethylierte väterliche Kernhälfte (Abbildung 1f). Diese Genomseparierung löst sich erst ab dem Vierzellstadium schrittweise auf (23). Nach dem Zweizellstadium kommt es dann passiv zu einer graduellen Demethylierung des weiblichen Genoms. Da die enzymatische Maschinerie zur Weitergabe der Methylierungsmuster an die Tochterzellen im frühen Embryo inaktiviert ist (5), geht bei jeder DNA-Verdoppelung die Hälfte der Methylgruppen verloren. Die Methylierung der mütterlichen Kernhälfte ist deshalb im Vierzellembryo deutlich schwächer (Abbildung 1g) als im Zweizeller. Im 16- bis 32-Zellstadium ist dann auch das mütterliche Genom nahezu vollständig demethyliert (Grafik 4).
Die befruchtete Eizelle, das heißt das mütterliche Genom, demethyliert unmittelbar nach der Befruchtung das väterliche Genom, und zwar unabhängig von der Anzahl der vorhandenen Genome. Da überzählige mütterliche Genome in gynogenetischen oder parthenogenetischen Mäuseembryonen nicht demethyliert werden (1), kann die Eizelle die DNA aus der väterlichen und der mütterlichen Keimbahn offenbar unterscheiden und das mütterliche Erbgut vor der Demethylierungsaktivität schützen. Die dramatische Demethylierung der paternalen zygotischen DNA kann als „Waffe“ im Geschlechterkonflikt interpretiert werden (14, 29). Die genetische Konflikthypothese von Moore und Haig (25) erklärt die Evolution von Imprintingmechanismen bei Säugetieren mit den unterschiedlichen elterlichen Interessen bezüglich der Entwicklung des Embryos. Väterlich exprimierte Gene tendieren dazu, das Embryowachstum ohne Rücksicht auf die mütterlichen Ressourcen zu steigern. Mütterlich exprimierte Gene wirken dem entgegen und reduzieren das Embryowachstum soweit, dass auch weitere Schwangerschaften (eventuell mit anderen Vätern) möglich sind. Das maternale Genom benutzt aktive Demethylierungsmechanismen, um das väterliche epigenetische Programm weitgehend auszuschalten. Soweit bekannt, scheinen nur sehr wenige Methylierungen aus der männlichen Keimbahn diesem Prozess zu entgehen (28, 29). Das väterliche Genom hat deshalb im Lauf der Evolution alternative Strategien entwickelt, um „missliebige“ Gene zum Beispiel durch die Expression von Antisensetranskripten zu inaktivieren.
Reprogrammierungsdefekte als Ursache für Embryoverlust und Imprintingkrankheiten
Die Methylierungsreprogrammierung der beiden elterlichen Genome im frühen Embryo ist ein zeitlich und topologisch hoch koordinierter Prozess. So ist es nicht verwunderlich, dass es dabei zu Fehlern kommt, die nicht mit einer normalen Entwicklung vereinbar sind. Ungefähr 10 Prozent normal befruchteter Mäuseembryonen zeigen im Zweizellstadium abnorma-
le Methylierungsmuster. In einem Teil der Zellkerne wurde das mütterliche Genom vorzeitig demethyliert (Abbildung 2a, b), in anderen Zellkernen ist die zygotische Demethylierung des väterlichen Genoms ausgeblieben (Abbildung 2c, d). Die Häufigkeit von solchen Embryonen mit androgenetischen (rein männlichen) oder gynogenetischen (rein weiblichen) Methylierungsmustern korreliert mit der Anzahl der Embryonen, die sich in Kultur nicht zur Blastozyste weiterentwickeln (33). Bei Superovulation der Mausweibchen verdoppeln sich die Inzidenz abnormal methylierter Embryonen und die Embryoverlustrate. Die Kulturbedingungen von in vitro fertilisierten (IVF) Mäuseembryonen haben ebenfalls erheblichen Ein-
fluss auf die Häufigkeit von Reprogrammierungsdefekten. Die unterschiedlichen Embryoverlustraten in Mäusestämmen mit verschiedenem genetischem Hintergrund weisen darauf hin, dass auch genetische Faktoren eine Rolle spielen.
Störungen der Methylierungsreprogrammierung sind wahrscheinlich für den häufigen Verlust von menschlichen Embryonen nach normaler und künstlicher Befruchtung mitverantwortlich. Im Vergleich zur Keimbahn, in der ebenfalls genomweite elternspezifische Umprogrammierungsprozesse stattfinden (28), ist der Präimplantationsembryo relativ schlecht vor Umwelteinflüssen geschützt. Zu keinem anderen Zeitpunkt in der Entwicklung ist die Epigenetik eines Individuums so anfällig gegenüber der Umwelt. Es besteht begründeter Verdacht, dass Imprintingkrankheiten, wie zum Beispiel Beckwith-Wiedemann- (9) und Angelman-Syndrom (7) bei Kindern, die durch IVF oder intrazytoplasmatische Spermieninjektion (ICSI) gezeugt wurden, gehäuft vorkommen. Das erniedrigte Geburtsgewicht bei künstlicher Befruchtung (32) passt ebenfalls gut zu einer Fehlregulation von geprägten Genen, welche das Embryowachstum steuern. Tierexperimentelle Studien haben bereits gezeigt, dass die Kulturbedingungen und Manipulation von in vitro kultivierten Embryonen die Expression von geprägten Genen und das fetale Wachstum beeinflussen können (12, 20). Außerdem scheint die Fehlbildungsrate bei ICSI erhöht (16), wobei man allerdings berücksichtigen muss, dass die Eltern oft älter und/oder genetisch vorbelastet sind. Langzeitstudien bei einer größeren Zahl von IVF- und ICSI-Kindern sind für die Abschätzung des genetischen und epigenetischen Risikos bei den modernen Reproduktionstechnologien unbedingt erforderlich. Geprägte Gene beeinflussen nicht nur das Wachstum von Fetus und Plazenta, sondern spielen auch für die Entwicklung von kognitiven Fähigkeiten und Verhalten, sowie bei der Krebsentstehung eine wichtige Rolle (11, 15, 36). Vor einer künstlichen Befruchtung sollte das erhöhte Risiko für Imprintingstörungen und größere Fehlbildungen mit den Eltern im Rahmen einer genetischen Beratung besprochen werden. Für alle neugeborenen Kinder besteht ein allgemeines Basisrisiko von 3 bis 5 Prozent, dass bei Geburt eine nicht vorhersehbare Störung oder Erkrankung vorliegt. Dieses Risiko ist bei ICSI-Kindern wahrscheinlich verdoppelt.
Medizinische Unverantwortlichkeit der Embryoklonierung
Dass die reproduktive Klonierung von Säugerembryonen – wenn auch mit einer geringen Effizienz – möglich ist, wurde an bisher acht Spezies gezeigt, darunter Schaf, Rind, Schwein und Maus. Bei der Klonierung wird das diploide Spendergenom einer Körperzelle in eine aktivierte entkernte Eizelle eingesetzt. Abhängig von Spezies und Spenderzelltyp entwickeln sich aber nur sehr wenige (0,1 bis 3 Prozent) Klone bis zur Geburt (34). Plazenta und
Fetus sind häufig zu groß (Large-offspring-Syndrome) und erinnern an epigenetischen Gigantismus, wie er zum Beispiel beim Beckwith-Wiedemann-Syndrom durch die gesteigerte Aktivität des väterlich exprimierten Wachstumsfaktors Igf2 verursacht wird. Die perinatale Sterblichkeit ist erhöht, und auch bei Geburt scheinbar normale Klone haben später häufig Probleme, unter anderem Lungenversagen, Leberfibrose, Nierenfibrose, Kardiomyopathien, Anämien und Immundefekte. Da diese Erkrankungen im Allgemeinen nicht an die Nachkommen von klonierten Tieren weitervererbt werden, liegt die Ursache wohl nicht in genetischen Veränderungen (Mutationen) sondern epigenetischen Störungen (17, 37).
Die Reprogrammierungsmaschinerie der befruchteten Eizelle erwartet zwei unterschiedlich modifizierte Keimzellgenome und ist darauf spezialisiert,
aus der männlichen Keimbahn vererbte Methylierungsmuster auszulöschen. Die väterlichen und mütterlichen Chromosomen einer transplantierten Körperzelle zeigen im Vergleich zu Spermium und Eizelle weitgehend identische DNA-Modifikationen (nur geprägte Gene haben ihre Keimbahn-spezifischen Muster beibehalten), sodass die Methylierungsreprogrammierung nicht ordnungsgemäß ablaufen kann. Tatsächlich haben mehrere Studien die inkomplette und sehr variable Demethylierung des diploiden Spendergenoms in klonierten Rinderembryonen gezeigt (3, 8, 19). In den meisten Fällen sind diese Reprogrammierungsdefekte offenbar nicht mit einer normalen Entwicklung bis zur Geburt vereinbar.
Bei Klonierungsexperimenten in der Maus wiesen die wenigen bis zur Geburt überlebenden Klone abnormale Genexpressionsmuster in somatischen Geweben (Leber) und Plazenta auf (18). Der immense Verlust von Schwangerschaften und die abnormalen Phänotypen bei klonierten Säugetieren beweisen, dass die korrekte Reprogrammierung eines somatischen Zellkerns durch die aktivierte Eizelle ein extrem seltenes Ereignis ist oder, wenn man die korrekte Expression des gesamten Genoms als Maßstab nimmt, gar nicht möglich ist. Allein aus medizinischen Gründen ist die reproduktive Klonierung eines menschlichen Embryos deshalb in höchstem Maße unverantwortlich.

Glossar
Blastozyste: Frühes Embryonalstadium aus 64 bis 128 Zellen, das beim Menschen etwa am fünften Tag nach der Befruchtung beginnt. Die Zellen nisten sich in die Gebärmutterschleimhaut ein. Die Blastozyste ist bereits in eine innere Zellmasse (Embryoblast) und eine äußere Zellschicht (Trophoblast) differenziert.
Chromatin: Das Material (DNA, chromosomale Proteine und geringe Mengen RNA), aus dem die Chromosomen bestehen. Durch basische Histonproteine und saure Nicht-Histone wird der (in menschlichen Körperzellen) auf 46 Chromosomen verteilte und insgesamt etwa zwei Meter lange DNA-Faden in höhergeordnete Strukturen verpackt und dabei um einen Faktor von etwa
10 000 kondensiert.
Embryoklonierung: Herstellung von Embryonen mit dem Erbmaterial aus somatischen Zellen unter Umgehung der Keimbahn. Durch Kerntransfer wird das diploide Spendergenom einer Körperzelle in eine aktivierte entkernte Eizelle eingesetzt. Beim therapeutischen Klonieren wird der in vitro kultivierte Embryo zur Herstellung von individualspezifischen embryonalen Stammzellen benutzt. Beim reproduktiven Klonieren wird der Embryo in den Uterus einer Leihmutter implantiert, um ein mit dem Spender genetisch identisches Individuum zu erzeugen.
Embryonale Stammzellen: Undifferenzierte pluripotente Zellen eines Embryos (innere Zellmasse der Blastozyste), die noch jeden beliebigen Zelltyp, aber kein ganzes Individuum mehr bilden können.
Epigenetik: Mitotisch oder meiotisch vererbbare Veränderungen des genetischen Informationsgehaltes einer Zelle, die ihre Grundlage in reversiblen Modifikationen der Erbinformation haben, jedoch keine konstanten Veränderungen (Mutationen) der genetischen Information darstellen.
Genom: Alle DNA-Sequenzen eines Individuums oder im weiteren Sinn einer Spezies. Transkribierte und/oder proteinkodierende Sequenzen (Gene) repräsentieren nur wenige Prozent des menschlichen Genoms, während repetitive Sequenzen ohne direkte Funktion über 50 Prozent des Genoms ausmachen. Im Rahmen des Humangenomprojektes wurden die etwa 3,1 Milliarden Basenpaare des menschlichen Genoms entschlüsselt.
Genomische Prägung (Imprinting): Im Gegensatz zu den Mendelschen Regeln, nach denen elterliche Allele unabhängig voneinander segregieren und phänotypisch aktiv sind, weisen einige Gene eine klare elternabhängige Aktivität auf, das heißt nur die väterliche oder die mütterliche Genkopie wird exprimiert.
Parthenogenetische Embryonen: Durch die experimentelle Aktivierung einer unbefruchteten Eizelle wird die Ausstoßung des zweiten Polkörperchens verhindert. Der sich entwickelnde Embryo besitzt zwei mütterliche Genome (aus Eizelle und Polkörperchen).
Totipotenz: Die Eigenschaft von undifferenzierten Zellen eines frühen Embryos (Vier- bis Achtzellstadium), ein komplettes Individuum zu bilden.

Manuskript eingereicht: 1. 4. 2003, revidierte Fassung angenommen: 10. 6. 2003

zZitierweise dieses Beitrags:
Dtsch Arztebl 2003; 100: A 2300–2308 [Heft 36]

Die Zahlen in Klammern beziehen sich auf das Literaturverzeichnis, das beim Verfasser erhältlich oder im Internet unter www.aerzteblatt.de/lit3603 abrufbar ist.

Anschrift des Verfassers:
Prof. Dr. med. Thomas Haaf
Institut für Humangenetik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Langenbeckstrasse 1
55131 Mainz
E-Mail: haaf@humgen.klinik.uni-mainz.de
1.
Barton SC, Arney KL, Shi W et al.: Genome-wide methylation patterns in normal and uniparental early mouse embryos. Hum Mol Genet 2001; 10: 2983–2987. MEDLINE
2.
Bird A: DNA methylation patterns and epigenetic memory. Genes Dev 2002; 16: 6–21. MEDLINE
3.
Bourc'his D, Le Bourhis D, Patin D et al.: Delayed and incomplete reprogramming of chromosome methylation patterns in bovine cloned embryos. Curr Biol 2001; 11: 1542–1546. MEDLINE
4.
Brannan CI, Bartolomei MS: Mechanisms of genomic imprinting. Curr Opin Genet Dev 1999; 9: 164–170. MEDLINE
5.
Cardoso MC, Leonhardt H: DNA methyltransferase is actively retained in the cytoplasm during early development. J Cell Biol 1999; 147: 25–32. MEDLINE
6.
Constancia M, Pickard P, Kelsey G, Reik W: Imprinting mechanisms. Genome Res 1998; 8: 881–900. MEDLINE
7.
Cox GF, Bürger J, Lip V et al.: Intracytoplasmatic sperm injection may increase the risk of imprinting defects. Am J Hum Genet 2002; 71: 162–164. MEDLINE
8.
Dean W, Santos F, Stojkovic M et al.: Conservation of methylation reprogramming in mammalian development: aberrant reprogramming in cloned embryos. Proc Natl Acad Sci USA 2001; 98: 13734–13738. MEDLINE
9.
DeBaun MR, Niemitz EL, Feinberg AP: Association of in vitro fertilization with Beckwith-Wiedemann syndrome and epigenetic alterations of LIT1 and H19. Am J Hum Genet 2003; 72: 156–160. MEDLINE
10.
Eggermann T, Zerres K, Eggermann K, Moore G, Wollmann HA: Uniparental disomy: clinical indications for testing in growth retardation. Eur J Pediatr 2002; 161: 305–312. MEDLINE
11.
Falls JG, Pulford DJ, Wylie AA, Jirtle RL: Genomic imprinting: implications for human disease. Am J Pathol 1999; 15: 635–647. MEDLINE
12.
Feil R: Early-embryonic culture and manipulation could affect genomic imprinting. Trends Mol Med 2001; 7: 245–246. MEDLINE
13.
Gesetz zum Schutz von Embryonen (Embryonenschutzgesetz -EschG-) vom 13. Dezember 1990, §8. BGBI. I S. 2746.
14.
Haaf T: The battle of the sexes after fertilization: behaviour of paternal and maternal chromosomes in the early mammalian embryo. Chrom Res 2001; 9: 263–271. MEDLINE
15.
Hall JG: Genomic imprinting: nature and clinical relevance. Annu Rev Med 1997; 48: 35–44. MEDLINE
16.
Hansen M, Kurinczuk JJ, Bower C, Webb S: The risk of major birth defects after intracytoplasmatic sperm injection and in vitro fertilization. N Engl J Med 2002; 346: 725–730. MEDLINE
17.
Hochedlinger K, Jaenisch R: Nuclear transplantation: lessons from frogs and mice. Curr Opin Cell Biol 2002; 14: 741–748. MEDLINE
18.
Humpherys D, Eggan K, Akutsu H et al.: Abnormal gene expression in cloned mice derived from embryonic stem cell and cumulus cell nuclei. Proc Natl Acad Sci USA 2002; 99: 12889–12894. MEDLINE
19.
Kang Y-K, Koo D-B, Park J-S et al.: Aberrant methylation of donor genome in cloned bovine embryos. Nature Genet 2001; 28: 173–177. MEDLINE
20.
Khosla S, Dean W, Brown D, Reik W, Feil R: Culture of preimplantation mouse embryos affects fetal development and the expression of imprinted genes. Biol Reprod 2001; 64: 918–926. MEDLINE
21.
Ledbetter DH, Engel E: Uniparental disomy in humans: development of an imprinting map and its implications for prenatal diagnosis. Hum Mol Gen 1995; 4: 1757–1764. MEDLINE
22.
Mayer W, Niveleau A, Walter J, Fundele R, Haaf T: Active demethylation of the zygotic paternal genome. Nature 2000; 403: 501–502. MEDLINE
23.
Mayer W, Smith A, Fundele R, Haaf T: Spatial separation of parental genomes in preimplantation mouse embryos. J Cell Biol 2000; 148: 629–634. MEDLINE
24.
McGrath J, Solter D: Completion of mouse embryogenesis requires both the maternal and paternal genomes. Cell 1984; 37: 179–183. MEDLINE
25.
Moore T, Haig D: Genomic imprinting in mammalian development: a parental tug-of-war. Trends Genet 1991; 7: 45–49. MEDLINE
26.
Oswald J, Engemann S, Lane N et al.: Active demethylation of the paternal genome in the mouse zygote. Curr Biol 2000; 10: 475–478. MEDLINE
27.
Perreault SD: Chromatin remodeling in mammalian zygotes. Mutat Res 1992; 296: 43–55. MEDLINE
28.
Reik W, Dean W, Walter J: Epigenetic reprogramming in mammalian development. Science 2001; 293: 1089–1093. MEDLINE
29.
Reik W, Walter J: Evolution of imprinting mechanisms: the battle of the sexes begins in the zygote. Nature Genet 2001; 27: 255–256. MEDLINE
30.
Robertson KD, Wolffe AP: DNA methylation in health and disease. Nature Rev Genet 2000; 1: 11–19. MEDLINE
31.
Santos F, Hendrich B, Reik W, Dean W: Dynamic reprogramming of DNA methylation in the early mouse embryo. Dev Biol 2002; 241: 172–182. MEDLINE
32.
Schieve LA, Meikle SF, Ferre C, Peterson HB, Jeng G, Wilcox LS: Low and very low birth weight in infants conceived with use of assisted reproductive technology. N Engl J Med 2002; 346: 731–737. MEDLINE
33.
Shi W, Haaf T: Aberrant methylation patterns at the two-cell stage as an indicator of early developmental failure. Mol Reprod Dev 2002; 63: 329–334. MEDLINE
34.
Solter D: Mammalian cloning: advances and limitations: Nature Rev Genet 2000; 1: 199–207. MEDLINE
35.
Surani MAH, Barton SC, Norris ML: Nuclear transplantation in the mouse: heritable differences between parental genomes after activation of the embryonic genome. Cell 1986; 45: 127–136. MEDLINE
36.
Tilghman SM: The sins of the fathers and mothers: genomic imprinting in mammalian development. Cell 1999; 96: 185–193. MEDLINE
37.
Wilmut I, Beaujean N, de Sousa PA et al.: Somatic cell nuclear transfer. Nature 2002; 419: 583–586. MEDLINE
1. Barton SC, Arney KL, Shi W et al.: Genome-wide methylation patterns in normal and uniparental early mouse embryos. Hum Mol Genet 2001; 10: 2983–2987. MEDLINE
2. Bird A: DNA methylation patterns and epigenetic memory. Genes Dev 2002; 16: 6–21. MEDLINE
3. Bourc'his D, Le Bourhis D, Patin D et al.: Delayed and incomplete reprogramming of chromosome methylation patterns in bovine cloned embryos. Curr Biol 2001; 11: 1542–1546. MEDLINE
4. Brannan CI, Bartolomei MS: Mechanisms of genomic imprinting. Curr Opin Genet Dev 1999; 9: 164–170. MEDLINE
5. Cardoso MC, Leonhardt H: DNA methyltransferase is actively retained in the cytoplasm during early development. J Cell Biol 1999; 147: 25–32. MEDLINE
6. Constancia M, Pickard P, Kelsey G, Reik W: Imprinting mechanisms. Genome Res 1998; 8: 881–900. MEDLINE
7. Cox GF, Bürger J, Lip V et al.: Intracytoplasmatic sperm injection may increase the risk of imprinting defects. Am J Hum Genet 2002; 71: 162–164. MEDLINE
8. Dean W, Santos F, Stojkovic M et al.: Conservation of methylation reprogramming in mammalian development: aberrant reprogramming in cloned embryos. Proc Natl Acad Sci USA 2001; 98: 13734–13738. MEDLINE
9. DeBaun MR, Niemitz EL, Feinberg AP: Association of in vitro fertilization with Beckwith-Wiedemann syndrome and epigenetic alterations of LIT1 and H19. Am J Hum Genet 2003; 72: 156–160. MEDLINE
10. Eggermann T, Zerres K, Eggermann K, Moore G, Wollmann HA: Uniparental disomy: clinical indications for testing in growth retardation. Eur J Pediatr 2002; 161: 305–312. MEDLINE
11. Falls JG, Pulford DJ, Wylie AA, Jirtle RL: Genomic imprinting: implications for human disease. Am J Pathol 1999; 15: 635–647. MEDLINE
12. Feil R: Early-embryonic culture and manipulation could affect genomic imprinting. Trends Mol Med 2001; 7: 245–246. MEDLINE
13. Gesetz zum Schutz von Embryonen (Embryonenschutzgesetz -EschG-) vom 13. Dezember 1990, §8. BGBI. I S. 2746.
14. Haaf T: The battle of the sexes after fertilization: behaviour of paternal and maternal chromosomes in the early mammalian embryo. Chrom Res 2001; 9: 263–271. MEDLINE
15. Hall JG: Genomic imprinting: nature and clinical relevance. Annu Rev Med 1997; 48: 35–44. MEDLINE
16. Hansen M, Kurinczuk JJ, Bower C, Webb S: The risk of major birth defects after intracytoplasmatic sperm injection and in vitro fertilization. N Engl J Med 2002; 346: 725–730. MEDLINE
17. Hochedlinger K, Jaenisch R: Nuclear transplantation: lessons from frogs and mice. Curr Opin Cell Biol 2002; 14: 741–748. MEDLINE
18. Humpherys D, Eggan K, Akutsu H et al.: Abnormal gene expression in cloned mice derived from embryonic stem cell and cumulus cell nuclei. Proc Natl Acad Sci USA 2002; 99: 12889–12894. MEDLINE
19. Kang Y-K, Koo D-B, Park J-S et al.: Aberrant methylation of donor genome in cloned bovine embryos. Nature Genet 2001; 28: 173–177. MEDLINE
20. Khosla S, Dean W, Brown D, Reik W, Feil R: Culture of preimplantation mouse embryos affects fetal development and the expression of imprinted genes. Biol Reprod 2001; 64: 918–926. MEDLINE
21. Ledbetter DH, Engel E: Uniparental disomy in humans: development of an imprinting map and its implications for prenatal diagnosis. Hum Mol Gen 1995; 4: 1757–1764. MEDLINE
22. Mayer W, Niveleau A, Walter J, Fundele R, Haaf T: Active demethylation of the zygotic paternal genome. Nature 2000; 403: 501–502. MEDLINE
23. Mayer W, Smith A, Fundele R, Haaf T: Spatial separation of parental genomes in preimplantation mouse embryos. J Cell Biol 2000; 148: 629–634. MEDLINE
24. McGrath J, Solter D: Completion of mouse embryogenesis requires both the maternal and paternal genomes. Cell 1984; 37: 179–183. MEDLINE
25. Moore T, Haig D: Genomic imprinting in mammalian development: a parental tug-of-war. Trends Genet 1991; 7: 45–49. MEDLINE
26. Oswald J, Engemann S, Lane N et al.: Active demethylation of the paternal genome in the mouse zygote. Curr Biol 2000; 10: 475–478. MEDLINE
27. Perreault SD: Chromatin remodeling in mammalian zygotes. Mutat Res 1992; 296: 43–55. MEDLINE
28. Reik W, Dean W, Walter J: Epigenetic reprogramming in mammalian development. Science 2001; 293: 1089–1093. MEDLINE
29. Reik W, Walter J: Evolution of imprinting mechanisms: the battle of the sexes begins in the zygote. Nature Genet 2001; 27: 255–256. MEDLINE
30. Robertson KD, Wolffe AP: DNA methylation in health and disease. Nature Rev Genet 2000; 1: 11–19. MEDLINE
31. Santos F, Hendrich B, Reik W, Dean W: Dynamic reprogramming of DNA methylation in the early mouse embryo. Dev Biol 2002; 241: 172–182. MEDLINE
32. Schieve LA, Meikle SF, Ferre C, Peterson HB, Jeng G, Wilcox LS: Low and very low birth weight in infants conceived with use of assisted reproductive technology. N Engl J Med 2002; 346: 731–737. MEDLINE
33. Shi W, Haaf T: Aberrant methylation patterns at the two-cell stage as an indicator of early developmental failure. Mol Reprod Dev 2002; 63: 329–334. MEDLINE
34. Solter D: Mammalian cloning: advances and limitations: Nature Rev Genet 2000; 1: 199–207. MEDLINE
35. Surani MAH, Barton SC, Norris ML: Nuclear transplantation in the mouse: heritable differences between parental genomes after activation of the embryonic genome. Cell 1986; 45: 127–136. MEDLINE
36. Tilghman SM: The sins of the fathers and mothers: genomic imprinting in mammalian development. Cell 1999; 96: 185–193. MEDLINE
37. Wilmut I, Beaujean N, de Sousa PA et al.: Somatic cell nuclear transfer. Nature 2002; 419: 583–586. MEDLINE

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