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Der menschliche Transkriptionsapparat

Die Aktivität unserer Gene wird strikt reguliert – durch eine ganze Anzahl von Proteinen, die sich nach Bedarf in bestimmter Kombination an der Erbsubstanz zu Komplexen zusammenlagern. Wirkstoffe, die hier angreifen, könnten zur Bekämpfung von Krankheiten dienen.

Asthma, Krebs, Herz-Kreislauf- Erkrankungen, Immunstörungen und Virusinfektionen – all diesen so verschiedenen Leiden ist eines gemein: Ein Zuviel oder Zuwenig an mindestens einem Protein hat erheblichen Anteil an ihrer Entstehung.

Diese Erkenntnis und das Wissen, daß Eiweißstoffe an allen Lebensprozessen wesentlich beteiligt sind, verlieh der Erforschung jenes molekularen Apparats neue Aktualität, der den ersten entscheidenden Schritt zur Proteinsynthese – die Transkription von Genen – reguliert. (Die DNA mit der Bauanweisung für ein Protein wird zuerst in eine Boten-RNA umkopiert, transkribiert, die dann den Synthesefabriken der Zelle quasi als Rezept zur Herstellung des Proteins dient.) Ziel der Forschung ist es, diese faszinierende biochemische Maschinerie zu analysieren und letztlich einmal auch in gewünschter Weise zu beeinflussen.

Schon lange bevor es auch um therapeutische Eingriffsmöglichkeiten ging, war die Transkription ein fesselndes Forschungsfeld, versprach doch die Kenntnis ihrer Regulation die Klärung fundamentaler Geheimnisse des Lebens schlechthin. Wie können aus einer befruchteten Eizelle die vielen verschiedenen Typen von Körperzellen hervorgehen, wobei jeder eine etwas andere Auswahl seiner insgesamt rund 150000 Gene nutzt, um die für ihn typische Mixtur von Proteinen herzustellen? Und wie erhalten die Zellen eines ausgewachsenen Organismus ihren Betrieb aufrecht, steigern oder drosseln ihre Proteinproduktion, je nachdem, wieviel davon sie gerade selbst und der Gesamtorganismus brauchen?

Um dem nachzugehen und Wirkstoffe zur Beeinflussung der Transkription entwickeln zu können, muß man zunächst den Aufbau jenes Molekülapparats einigermaßen verstehen, der in menschlichen Zellen das Abschreiben der genetischen Information steuert. Seine Gesamtstruktur läßt sich nun, nach rund fünfundzwanzigjähriger Forschungsarbeit, umreißen.

Nach Untersuchungen verschiedener Labors, darunter meines an der Universität von Kalifornien in Berkeley, besteht ein bedeutsames Element dieses Apparats – quasi der Motor, der die Transkription der meisten oder vielleicht sogar aller menschlichen Gene antreibt – aus etwa 50 unterschiedlichen Proteinen. Erst wenn diese sich an der DNA zu einem festen Komplex zusammengelagert haben, kann das von ihnen gebundene Enzym RNA-Polymerase mit der eigentlichen Arbeit beginnen: die DNA in Boten-RNA umzuschreiben (Bild 1).

Wie sich inzwischen gezeigt hat, vereinigen sich die mutmaßlichen Einzelbestandteile im Reagenzglas zu einem voll funktionsfähigen Transkriptionsmotor. An ihm gibt es so etwas wie Steckbuchsen, in die sich dann weitere Proteine einklinken. Dadurch wird er gewissermaßen programmiert; ihm wird eingegeben, welche Gene wie schnell transkribiert werden sollen. Mittlerweile treten auch entscheidende Details dieser Interaktionen zutage.


Erste Erkenntnisse an Bakterien

Als meine Kollegen und ich uns in Berkeley Ende der siebziger Jahre erstmals auf Gene menschlicher Zellen konzentrierten, war kaum etwas über deren Transkriptionsapparat bekannt. Ein recht genaues Bild hatte man aber von der Transkription in Bakterien, die als Prokaryonten (wörtlich: Vorkerner) keinen abgegrenzten Zellkern haben. Diese bereits Anfang jenes Jahrzehnts aufgenommenen Untersuchungen verhalfen schließlich auch zu Einblicken in die Verhältnisse bei kernhaltigen Zellen wie die der Menschen und anderer Eukaryonten (Echtkerner); so haben sich manche Merkmale der Transkription bei praktisch allen Lebewesen als gleich erwiesen.

Die Analysen an Bakterien zeigten, daß Gene sich im wesentlichen in zwei Abschnitte mit unterschiedlicher Funktion gliedern: die eigentliche codierende Region sowie eine regulatorische.

Die codierende Region, auch als Strukturgen bezeichnet, legt die Reihenfolge der Aminosäuren fest, die zum Protein zu verketten sind. Verschlüsselt ist die Aminosäuresequenz in der Basensequenz der DNA; deren vier verschiedene Nucleotid-Basen – Adenin (A), Thymin (T), Cytosin (C) und Guanin (G) – bilden zu je dreien ein Codewort für eine bestimmte Aminosäure.

Der regulatorische Abschnitt hingegen bestimmt, mit welcher Geschwindigkeit die RNA-Polymerase die codierende Region in Boten-RNA umschreibt. Bei Bakterien liegt er kurz vor dieser Region – oft in einem Abstand von nur zehn Basen. An diesen Promotor (wörtlich: Förderer) muß sich die RNA-Polymerase zunächst heften, um exakt positioniert zu werden. Von dort gleitet sie an den Anfang der codierenden Region und bewegt sich dann wie ein aufgesetzter Lesekopf an der DNA entlang, wobei sie eine entsprechende RNA-Kopie erstellt. Außer bei sehr langen Genen hängt die Zahl der zu einem gegebenen Zeitpunkt gebildeten Kopien vorwiegend davon ab, wie schnell sich Polymerase-Moleküle an den Promotor heften und mit der Transkription beginnen.

Interessanterweise ist das Enzym selbst recht wenig wählerisch: Es würde nicht zwischen einem bakteriellen Promotor und anderen DNA-Sequenzen unterscheiden, also auch nicht zwischen verschiedenen Klassen von Promotoren. Zu Promotoren bestimmter Gene dirigiert wird es bei Bakterien durch mehrere als Sigmafaktoren bezeichnete Proteine. Erst die Anlagerung einer dieser Faktoren macht die RNA-Polymerase zum vollständigen, zum Holo-Enzym und programmiert sie; der Komplex kann dann ausgewählte Nucleotidsequenzen von Promotoren erkennen und dort andocken. Ist die Transkription einmal eingeleitet, wird der Sigmafaktor von der Polymerase abgespalten.

Die Synthese unterschiedlicher Sigmafaktoren ermöglicht Bakterien die wahlweise Aktivierung verschiedener Gene. Weil die Faktoren hier so bedeutsam sind, suchten meine Kollegen und ich in menschlichen Zellen zunächst nach ähnlichen Molekülen. Aber damit hatten wir unterschätzt, wie komplex im Laufe der Evolution die biochemische Maschinerie geworden ist, die aus unserem komplizierter organisierten Erbgut genetische Informationen abruft. Schon bald mußten wir erkennen, daß es beim Menschen wohl keine Sigmafaktoren gibt, oder wenn, dann nur in anderer Form als bei Bakterien.


Überraschende Komplexität

Wenn eukaryontische Zellen wie die des Menschen nicht mit einfachen Sigmafaktoren operieren, wie sorgen sie dann dafür, daß ihre RNA-Polymerase zum richtigen Zeitpunkt das richtige Gen mit der richtigen Geschwindigkeit abliest? Eine Antwort zeichnete sich erst ab, als die ungewöhnliche Organisation eukaryontischer Gene im Detail beschrieben war.

Bis 1983 hatte man erkannt, daß alle Eukaryonten – vom einzelligen Hefepilz bis zum komplexen Vielzellerorganismus – drei Arten getrennter genetischer Kontrollelemente für die Einleitung der Transkription haben (siehe Kasten auf Seite 59). Eines liegt im allgemeinen in der Nähe des codierenden Abschnitts und wirkt im wesentlichen wie ein Bakterienpromotor. Von diesem sogenannten Kernpromotor aus beginnt die RNA- Polymerase an der DNA entlangzuwandern. Seine Sequenz ist bei vielen Genen einer Zelle ähnlich.

Eine weitere ungewöhnliche Gruppe von Regulationselementen bilden die Verstärker, nach dem englischen Begriff dafür auch Enhancer genannt. Entdeckt haben sie verschiedene Wissenschaftler, darunter Walter Schaffner von der Universität Zürich und Steven Lanier McKnight von der Carnegie-Institution in der US-Bundeshauptstadt Washington. Verstärker erleichtern die Transkription, obgleich sie frappierend weit vom Kernpromotor entfernt – in einem Abstand von vielen tausend Basen vor oder hinter ihm – liegen können. Ihre Gegenspieler bilden die später entdeckten Drosselelemente, die nach dem englischen Begriff für beschwichtigen als Silencer bezeichnet werden: Sie wirken hemmend auf die Transkription und können ebenfalls weit vom Kernpromotor entfernt liegen.

In einem (allerdings ein wenig schiefen) Vergleich mit einem Auto ist der Kernpromotor das Zündschloß des Motors, während die Verstärker dem Gaspedal und die Drosselelemente den Bremsen entsprechen. Zu einem Eukaryonten-Gen können mehrere Verstärker- und Drosselelemente gehören; einige sind auch bei weiteren Genen involviert, nie aber ist zwei Genen genau dieselbe Kombination zugeordnet. Deshalb kann eine Zelle die Transkription jedes Gens separat steuern.

Die Existenz dieser Elemente legte zwei für die damalige Zeit höchst überraschende Schlüsse nahe: Zum einen sollten sie, weil sie offensichtlich nicht selbst die Aktivität der RNA-Polymerase steuern, als Anheftstellen für Mitglieder einer großen Proteinfamilie dienen, die direkt oder indirekt dem Enzym dann anregende oder hemmende Signale übermitteln; diese heute als Aktivatoren und Repressoren bezeichneten Proteine drücken gewissermaßen auf das Gaspedal beziehungsweise auf die Bremse. Zum anderen war zu vermuten, daß die Transkriptionsgeschwindigkeit an einem Gen durch die gemeinsame Aktivität aller Transkriptionsfaktoren bestimmt werde, die an seine verschiedenen Regulationselemente gebunden sind.

Allerdings war schwer zu erklären, wie Proteine an DNA-Sequenzen in weiter Entfernung vom Kernpromotor überhaupt die Transkription des zugehörigen Gens beeinflussen könnten. Um dieses Rätsel zu lösen, wollten wir wie mehrere andere Forscherteams zunächst versuchen, menschliche Transkriptionsfaktoren zu isolieren; außer der RNA-Polymerase selbst kannte man noch kein einziges derartiges Protein. Wenn wir erst die Faktoren in reiner Form hätten, dann – so unsere Hoffnung – würden wir auch Erkenntnisse über ihre genaue Funktionsweise gewinnen können.


Der erste menschliche Transkriptionsfaktor

Da sich außer den Transkriptionsfaktoren noch viele andere Proteine an die DNA binden, die aber nichts mit dem Ablesen von Genen zu tun haben, hätte es wenig gebracht, die Proteine des Zellkerns einzig auf ihre Fähigkeit zur Anlagerung an Erbsubstanz zu durchmustern. Wir suchten deshalb nach solchen, die in einem Reagenzglas-System sowohl sich an DNA binden als auch die Transkription antreiben.

William S. Dynan fand 1982 in meinem Labor in einem Gemisch von Proteinen aus dem Zellkern eines, das alle Anforderungen an einen Transkriptionsfaktor erfüllte. Es heftete sich an eine als GC-Box bezeichnete Verstärkersequenz; sie enthält besonders viele G- und C-Nucleotide und ist den Genen einer bestimmten Gruppe gemein. Und was noch wichtiger war: In Gegenwart einer Präparation von Zellkernproteinen einschließlich der RNA-Polymerase verstärkte der Faktor die Transkription, und zwar ausschließlich von Genen mit zugeordneter GC-Box. Damit hatten wir den ersten menschlichen Transkriptionsfaktor identifiziert, der eine ganz bestimmte Regulatorsequenz erkennen kann; er bekam von uns den Namen Spezifitätsprotein 1 (Sp1).

Sofort machten wir uns an seine Reinigung. Das technische Problem dabei ist, daß Transkriptionsfaktoren in den Zellen gewöhnlich nur in winzigen Mengen vorkommen (im typischen Falle stellt ein einzelner noch nicht einmal ein Hunderttausendstel der gesamten Proteinmenge in einer menschlichen Zelle). James T. Kadonaga fand 1985 in meinem Labor einen Ausweg – und führte damit ein effizientes neues Verfahren ein, mit dem seither zahllose weitere Transkriptionsfaktoren und andere rare DNA-bindende Proteine in reiner Form gewonnen werden konnten.

Da Sp1 spezifisch die GC-Box erkennt, synthetisierte Kadonaga DNA-Moleküle, die ausschließlich daraus bestanden, und verankerte sie chemisch an einem zu Kügelchen geformten Trägermaterial. Dann ließ er ein Gemisch menschlicher Zellkernproteine darüberlaufen. Die Hoffnung, daß nur Sp1 hängenbliebe, erfüllte sich: Als er schließlich die gebundenen Proteinmoleküle von der synthetischen DNA ablöste, hatte er reines Sp1 in der Hand.

Aus Untersuchungen von Mark Ptashne und seinen Kollegen an der Harvard-Universität in Cambridge (Massachusetts) wußten wir, daß Transkriptionsregulatoren der Bakterien modulartig aufgebaut sind, das heißt, daß einzelne Tei-le der Moleküle unterschiedliche Funktionen erfüllen (siehe seinen Artikel in Spektrum der Wissenschaft, März 1989, Seite 58). Nachdem wir die Aminosäuresequenz von Sp1 ermittelt hatten, suchten wir deshalb auch darin nach Anzeichen für getrennte Module; wir fanden immerhin zwei interessante Bereiche (Bild 2).

An einem Ende des Moleküls liegt ein Abschnitt, der offensichtlich drei Zinkfinger bildet. Solche Strukturen, in denen Teile der Aminosäurekette um Zink- Ionen herum gefaltet sind, dienen – wie wir heute wissen – vielen Aktivatorproteinen sozusagen als Greifhaken zur Verankerung an der DNA. Damals aber war Sp1 erst das zweite bekannte Protein mit einer solchen Struktur. Kurz zuvor hatten Aaron Klug und seine Kollegen vom britischen Medizinischen Forschungsrat die Zinkfinger bei einem Transkriptionsfaktor aus Fröschen entdeckt (siehe seinen zusammen mit Daniela Rhodes verfaßten Artikel in Spektrum der Wissenschaft, April 1993, Seite 54).

Das andere Ende von Sp1 enthält einen Bereich aus zwei getrennten Abschnitten, in denen die Aminosäure Glutamin besonders zahlreich vertreten ist. Wir hatten den starken Verdacht, daß diese Domäne bei der Transkription eine wichtige Rolle spiele; denn mutierte Sp1-Moleküle ohne diese Domäne konnten sich im Reagenzglas noch hervorragend an DNA binden, nicht aber mehr die Transkription anregen. Demnach ging die eigentliche Wirkung von Sp1 von seiner glutaminreichen Domäne aus; diese Molekülregion, heute als Aktivierungsdomäne bezeichnet, trat offenbar mit irgendeinem anderen Bestandteil des Transkriptionsapparats in Wechselwirkung. Nur mit welchem?


Einkreisen des Ziels

Als wir 1988 die Suche danach aufnahmen, hatten wir bereits eine gewisse Vorstellung. Das Ziel vermuteten wir im sogenannten Basal-Transkriptionskomplex.

Mitte der achtziger Jahre hatten Robert G. Roeder und seine Kollegen an der Rockefeller-Universität in New York gezeigt, daß die RNA-Polymerase eukaryontische Gene nur dann transkribieren kann, wenn sich am Kernpromotor mehrere andere Transkriptionsfaktoren eingefunden haben; diese generellen Faktoren sind unerläßlich, damit eine RNA-Polymerase (es gibt mehr als eine Sorte) eine geringe basale Transkriptionsrate erreicht. Bis Ende des Jahrzehnts waren mindestens sechs solcher Transkriptionsfaktoren für die Polymerase II identifiziert: TFIIA, B, D, E, F und H (die Polymerase II ist für alle Protein-Gene zuständig).

Im Reagenzglas erlaubten sie eine nur langsame, unveränderliche Grundgeschwindigkeit. Es war, als hätte jemand den Motor in einem unfertigen Automobil gestartet, an dem es weder Lenkrad noch Gaspedal und Bremsen gab. Als wir zum Beispiel die Bestandteile des Komplexes (einschließlich der RNA-Polymerase) einem isolierten Gen mit GC-Box zusetzten, stieg die Transkriptionsrate erst dann deutlich, als auch noch Sp1 hinzukam.

Ende der achtziger Jahre war somit klar, daß menschliche Zellen mindestens zwei Klassen von Transkriptionsfaktoren enthalten. Die Basalfaktoren werden bei allen Genen zur Einleitung der Transkription gebraucht; andere Proteine – Aktivatoren und Repressoren – bestimmen darüber, mit welcher Geschwindigkeit der Basalkomplex die Transkription in Gang setzt (siehe Kasten auf Seite 59). Die einzelnen Gene werden durch unterschiedliche Kombinationen von Aktivatoren und Repressoren gesteuert. (Wir vermuten inzwischen, daß der Basalkomplex im Organismus nur selten von selbst entsteht; in den meisten Fällen braucht es wiederum Aktivatoren, die seinen Zusammenbau vorantreiben.)

All diese Befunde deuteten darauf hin, daß die glutaminreiche Domäne von Sp1 mit einem Basalfaktor in Kontakt tritt. Unser Verdacht konzentrierte sich dabei insbesondere auf TFIID (den Faktor D), weil er sich nach Befunden von Phillip A. Sharp und Stephen Buratowski am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge zeitlich vor allen anderen Basalfaktoren auf dem Kernpromotor niederzulassen vermag und dann den Zusammenbau des gesamten Basalkomplexes fördert. Der Faktor D ist sogar der einzige Bestandteil des Basalkomplexes, der DNA überhaupt erkennt. Er heftet sich selektiv an die sogenannte TATA-Box, eine Sequenz im Kernpromotor vieler Eukaryonten-Gene.

Um unsere Hypothese aber weiterzuverfolgen, mußten wir mehr über den Aufbau des Faktors wissen, den wir für ein Einzelprotein und nicht für ein zusammengesetztes hielten. Auch andere Forschergruppen verfolgten dieses Ziel, und so begann ein Wettlauf um die Reindarstellung des Moleküls. Seine Isolierung aus menschlichen Zellen erwies sich als weit schwieriger als gedacht. Deshalb versuchten viele Gruppen schließlich ihr Glück mit Hefezellen. Im Jahre 1989 gelang mehreren unabhängig voneinander die Isolierung eines Hefeproteins, das die vom Faktor D erwarteten Eigenschaften aufwies; es heftete sich gezielt an die TATA-Box und setzte in Gegenwart von RNA-Polymerase und anderen Teilen des Basalkomplexes eine schwache Transkription in Gang.

Unsere Annahme, das TATA-bindende Protein – kurz TBP – sei der Faktor D selbst, wollten wir durch weitere Untersuchungen belegen und dann im einzelnen ermitteln, welche Teile des Moleküls mit Sp1 und anderen Regulatorproteinen in Kontakt treten. Noch wußten wir nicht, daß uns ein völliger Fehlschlag bevorstand – und eine entscheidende Entdeckung.


Unerwartete Schwierigkeiten

Als B. Franklin Pugh aus unserem Team statt der alten, unreinen Präparationen von Faktor D die gereinigten TBP-Moleküle für unser Reagenzglas-System verwendete, kam zwar gemäß der bekannten Befunde die basale Transkription normal in Gang, doch zu unserer Bestürzung vermochte Sp1 die Rate nun nicht mehr zu erhöhen. Offensichtlich war der Faktor D keineswegs mit TBP identisch, enthielt also in Wirklichkeit noch Untereinheiten. (Wie man heute weiß, bestehen viele Transkriptionsfaktoren aus mehr als einem Protein.) Für die Funktion des Basalkomplexes waren sie sichtlich entbehrlich, nicht aber für die Regulation des Komplexes durch Aktivatoren.

Nun handelte es sich bei den zusätzlichen Bestandteilen weder um Aktivatoren (sie hefteten sich nicht an spezifische DNA-Sequenzen) noch um Basalfaktoren (eine konstant schwache Transkription war auch ohne sie möglich). Deswegen sahen wir in ihnen eine dritte Klasse von Transkriptionsfaktoren, die wir Coaktivatoren nannten. Des weiteren nahmen wir an, daß diese Coaktivatoren und nicht TBP das Ziel der proteinbindenden Domänen von Aktivatoren wie Sp1 seien. Nach unserer Vorstellung sollten die Aktivatoren an ganz bestimmte Coaktivatoren andocken und auf diese Weise dafür sorgen, daß der Basalkomplex rascher hintereinander RNA-Polymerase-Moleküle in Bewegung setzt.

Dieser Mechanismus erschien uns deshalb plausibel, weil nur schwer vorstellbar war, wie ein einziges Protein – eben TBP – für jeden der vielen Aktivatoren in einer menschlichen Zelle eine eigene Bindungsstelle bereitstellen könnte. Hätten aber die Coaktivatoren, die fest an TBP gekoppelt waren, ihrerseits jeweils mehrere Bindungsdomänen, böten sie gemeinsam die erforderlichen Andockstellen, über die Hunderte oder Tausende von Aktivatoren ihre Signale an den Basal-Transkriptionskomplex weiterleiten könnten.

Auf die Idee, Coaktivatoren könnten als eine Art Multistecker-Adapter fungieren, kam zuerst Pugh. Schon bald überzeugten mich seine Befunde, daß er wahrscheinlich recht hätte, aber diese Meinung teilten nicht alle in unserem Labor; unsere wöchentlichen Arbeitsbesprechungen waren Anfang 1990 häu- fig von hitzigen Diskussionen begleitet. Auch andere Fachleute äußerten erhebliche Skepsis, als wir ihnen das Coaktivatoren-Konzept unterbreiteten. Solche Reaktionen auf einen unerwarteten Befund, der alles nur komplizierter machte, waren in diesem Stadium der Arbeiten sicher gerechtfertigt, denn bislang gab es nur Indizien, aber eben keine Beweise. Noch hatten wir keinen einzigen Coaktivator isoliert.


Die fehlenden Bindeglieder

Um uns zu vergewissern und die Fachwelt zu überzeugen, mußten wir ein experimentelles Verfahren entwickeln, mit dem sich zweifelsfrei belegen ließ, daß Coaktivatoren existieren und als Signalüberträger wirken. Fast zwei Jahre lang versuchten wir vergebens, einen vollständigen, funktionsfähigen Komplex aus TBP und allen anderen damit assoziierten Bestandteilen des Faktors D zu isolieren. Mehrfach sah es ganz danach aus, als ob die ohnehin recht unpopuläre Coaktivator-Hypothese auf irgendeinem Fehler in unseren Untersuchungen gründe.

Der Durchbruch kam 1991: Brian D. Dynlacht, Timothy Hoey, Naoko Tanese und Robert Weinzierl fanden einen raffinierten Weg, Faktor D komplett in reiner Form zu isolieren. Den biochemischen Analysen nach enthielt er neben TBP acht weitere, bis dahin unbekannte Proteine. Da wir aber noch keinen Beweis dafür hatten, daß es Coaktivatoren waren, bezeichneten wir sie unverfänglich als TBP-assoziierte Faktoren oder kurz TAFs (siehe Kasten auf Seite 59).

Nach mehreren Experimenten mit den schließlich abgetrennten TAFs waren wir überzeugt, daß sie tatsächlich Signale von Aktivatoren auf den Basalkomplex des Transkriptionsapparats übertrügen. Beispielsweise steigerte ein Gemisch aus Sp1, Basisfaktoren und RNA-Polymerase nur dann im Reagenzglas die Boten-RNA-Produktion an einem Gen mit einer GC-Box, wenn auch TAFs zugegen waren. Und gaben wir zu der DNA eines menschlichen Gens gereinigtes TBP sowie die übrigen Komponenten des Basalkomplexes und die acht einzeln isolierten TAFs, dann lagerten sich die Proteine an dem Gen zusammen und sprachen auch auf mehrere Typen zugesetzter Aktivatorproteine an.

Wie wir später zeigen konnten, entfalten diese Aktivatoren ihre Wirkung, indem sie sich direkt mit bestimmten TAFs verbinden. Gemeinsam bilden die Coaktivatoren im Faktor D wirklich eine Art Zentralprozessor, der die regulatorischen Signale der an Verstärker-DNA gebundenen Aktivatoren verarbeitet (Bild 3).


Ein allgemeines Prinzip

Die Aggregate aus Aktivatoren, Coaktivatoren und Basalapparat sind offenbar bei Menschen die Pendants zu den bakteriellen Sigmafaktoren, denn sie dirigieren ebenfalls RNA-Polymerase-Moleküle mit einer bestimmten Geschwindigkeit zu bestimmten Genen. In gewisser Weise kann man sie sogar als Sigmafaktoren betrachten, die während der Evolution in viele Untereinheiten aufgeteilt worden sind. Neuere Befunde unseres Teams und anderer Gruppen deuten darauf hin, daß wir ein allgemeines Prinzip eukaryontischer Genregulation entdeckt haben; denn Coaktivatoren fanden sich auch bei Hefepilzen, und der Faktor D besteht bei ihnen ebenso wie beim Menschen aus mehreren Untereinheiten.

Das sind zwar höchst befriedigende Ergebnisse, aber auf welche Weise die Bindung von Aktivatoren an Verstärker-Sequenzen und Coaktivatoren die Transkriptionsgeschwindigkeit der RNA-Polymerase in lebenden Zellen beeinflußt, ist damit nicht erschöpfend erklärt. Vielleicht veranlaßt das Ankoppeln von Aktivatoren an Verstärker die DNA-Stränge, sich in einer Weise zu biegen, daß die verschiedenen Verstärker näher zueinander und an den Kernpromotor rücken (Bild 4). In einer solchen Konstellation könnten die Aktivatoren (allein oder zu mehreren) dann an Coaktivatoren andocken und den Faktor D mit seinem TATA-bindenden Protein am Promotor in die richtige Position bringen, was den Zusammenbau des vollständigen Basalkomplexes womöglich erleichtert (Bild 5). Fertiggestellt könnte dieser die DNA wiederum so verformen, daß die RNA-Polymerase ihre Wanderung über die codierende Region anzutreten vermag.

Über die Funktionsweise von Repressoren ist bislang weit weniger bekannt. Nach Ansicht vieler Fachleute binden sie sich aber möglicherweise manchmal ebenfalls an Coaktivatoren; dadurch könnten sie Aktivatoren den Zugang zu deren Andockstellen versperren. In anderen Fällen umgehen Repressoren vielleicht den Basalkomplex und blockieren die Transkription, indem sie die Anheftung von Aktivatoren an Verstärker verhindern.

Trotz einiger Wissenslücken zeichnet sich eine Erklärung dafür ab, warum verschiedene Zellen im Embryo wie im reifen Organismus unterschiedliche Kombinationen von Proteinen herstellen. Ein Gen wird eben nur dann in meßbarem Umfang transkribiert, wenn die verschiedenen dafür erforderlichen Aktivatoren vorhanden sind und die Hemmwirkung von Repressoren aufzuheben vermögen. Unterschiedliche Proteine stellen die Zellen deshalb her, weil sie ein unterschiedliches Arsenal an Aktivatoren und Repressoren enthalten. Wohl erhebt sich damit sogleich die neue Frage, wie die Zellen entscheiden, welche Transkriptionsfaktoren sie in erster Linie herstellen; doch auch in diesem Bereich macht die Forschung inzwischen Fortschritte.


Therapien von morgen

Wie ließen sich mit diesem neu erworbenen Wissen Strategien zur Bekämpfung lebensbedrohlicher Erkrankungen entwickeln, bei denen eine übermäßige oder eine unzureichende Transkription eines Gens mitspielt? Theoretisch sollte eine Blockade der Bindungsstellen von Aktivatoren eine unerwünschte Transkription drosseln; umgekehrt sollte eine Stabilisierung der Transkriptionsmaschinerie an einem Gen eine zu schwache Transkription verstärken.

Eine Blockade ließe sich beispielsweise mit einem paßgenau konstruierten molekularen Stopfen erreichen, der die Interaktion mit einem Coaktivator verhindert. Man könnte einen Aktivator auch mit einem Molekül ködern, das einem Coaktivator ähnelt, ohne dessen Funktion zu erfüllen. Zur Stabilisierung wären Moleküle denkbar, welche die Wechselwirkung zwischen Aktivatoren und DNA oder Coaktivatoren verstärken. Die Umsetzung solcher Ideen liegt noch in weiter Ferne, aber die vielleicht einmal möglichen Anwendungen sind faszinierend.

Nehmen wir beispielsweise das Human-Immunschwäche-Virus (HIV), den Erreger von AIDS. Um sich in menschlichen Zellen zu vermehren, braucht es den viralen Transkriptionsfaktor TAT, der die Transkription seiner Gene verstärkt. Ließe er sich durch einen Wirkstoff hemmen, der nur an ihn und nicht an menschliche Transkriptionsfaktoren andockt, käme die Virusvermehrung zum Erliegen, ohne daß die Produktion lebensnotwendiger zelleigener Proteine beeinträchtigt wäre.

Bei manchen Störungen hingegen böte es sich an, die Transkriptionsrate bestimmter Gene zu steigern. Ein Beispiel ist der erhöhte Cholesteringehalt des Blutes, ein Risikofaktor für Herz-Kreislauf-Erkrankungen, insbesondere Arteriosklerose. Cholesterin reichert sich dort in schädlichem Maße an, wenn sein Transporteur – das Lipoprotein geringer Dichte (englisch: low density lipoprotein, LDL) – nicht wirksam genug aus dem Kreislauf entfernt wird. Theoretisch ließe sich die Störung beheben, indem man in Leberzellen die Transkription des Gens für den LDL-Rezeptor verstärkt. Er schleust LDL aus dem Blut in die Zellen, die es im Falle der Leber zum Aufbau von Gallensäuren verwenden (siehe Spektrum der Wissenschaft, Januar 1985, Seite 96). Ob dies ein praktikabler Ansatz ist, wird sich vielleicht schon bald prüfen lassen: Michael S. Brown und Joseph L. Goldstein vom Zentrum für Gesundheitswissenschaften der Universität von Texas in Dallas analysieren derzeit die einzelnen molekularen Bestandteile des Apparats, der die Transkription des Rezeptor-Gens reguliert.

Bis vor kurzem machte sich kaum jemand die Mühe, kleine Moleküle – seien es Naturstoffe oder synthetische Verbindungen – daraufhin zu durchmustern, ob sie die Transkription beeinflussen. Durch Zufall hat sich allerdings bei einer Reihe von Medikamenten herausgestellt, daß sie die Aktivität von Transkriptionsfaktoren verändern.

So unterdrückt RU 486, der Wirkstoff der in Frankreich entwickelten Abtreibungspille, die Funktion bestimmter Steroidrezeptoren, einer Gruppe von Aktivatoren, welche die Embryonalentwicklung lenken. (Steroide wie etwa die Geschlechtshormone dringen von selbst in ihre Zielzellen ein, wo sie sich erst im Zellkern mit einem Steroidrezeptor vereinen und als Komplex dann die Transkription bestimmter Gene anregen; siehe Spektrum der Wissenschaft, August 1990, Seite 46.)

Auch die Immunsuppressiva Cyclosporin und FK506, die Abstoßungsreaktionen nach Transplantationen verhindern, hemmen die Transkription eines Gens; dessen Produkt wird von gewissen Immunzellen gebraucht. Sie wirken aber indirekt: indem sie ein Enzym aktivieren, das seinerseits die Funktion eines zu dem Gen gehörigen Transkriptionsfaktors beeinträchtigt.

Nach und nach wird man sicherlich herausfinden, welche Kombinationen von Transkriptionsfaktoren welche Gene regulieren. Auf dieser Basis ließen sich gegen Krebs, Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Immunstörungen, Virusinfektionen, die Alzheimer-Krankheit und vielleicht sogar gegen altersbedingte Prozesse ausgeklügelte Verbindungen konstruieren. Über den Erfolg solcher Wirkstoffe kann man nach Belieben spekulieren, aber in irgendeiner Form werden die Therapiemethoden der Zukunft mit ziemlicher Sicherheit von der Grundlagenforschung im Bereich der Transkription profitieren – also von wissenschaftlicher Neugier, die anfangs einfach dem Wunsch entsprang, den molekularen Apparat, der unsere Gene steuert, bis ins Innerste zu erkunden.

Literaturhinweise

- Transcriptional Selectivity of Viral Genes in Mammalian Cells. Von Steven McKnight und Robert Tjian in: Cell, Band 46, Heft 6, Seiten 795 bis 805, 12. September 1986.

– Transcriptional Regulation in Mammalian Cells by Sequence-Specific DNA Binding Proteins. Von Pamela J. Mitchell und Robert Tjian in: Science, Band 245, Seiten 371 bis 378, 28. Juli 1989.

– Eukaryotic Coactivators Associated with the TATA Box Binding Protein. Von G. Gill und R. Tjian in: Current Opinion in Genetics and Development, Band 2, Heft 2, Seiten 236 bis 242, April 1992.

– Transcriptional Activation: A Complex Puzzle with Few Easy Pieces. Von R. Tjian und T. Maniatis in: Cell, Band 77, Heft 1, Seiten 5 bis 8, 8. April 1994.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 4 / 1995, Seite 56
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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