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Entzifferung der ersten Menschen- und Pflanzenchromosomen

Zwei internationale Genom-Projekt-Gruppen haben bedeutende Zwischenergebnisse veröffentlicht. Erstmals liegen nun die vollständigen DNA-Sequenzen von Chromosomen des Menschen und einer Pflanze vor.


Noch kurz bevor das dritte Millennium eingeläutet wurde, sind die ersten Kapitel eines neuen, vielbändigen Textwerkes fertiggestellt worden. Dieses epochale Kompendium, das Buch der Gene, wird die Art und Weise, wie wir Menschen uns selbst und die belebte Natur sehen, tiefgreifend und nachhaltig beeinflussen. Die jetzt erschienenen ersten Kapitel enthalten die vollständigen DNA-Sequenzen des menschlichen Chromosoms 22 und der Chromosomen 2 und 4 einer kleinen Blütenpflanze namens Arabidopsis thaliana (Nature, Bd. 402, S. 489 und S. 761/769). Sie bilden den Auftakt zur vollständigen Sequenzierung von Mensch- und Pflanzengenomen. Um dieses Ziel zu erreichen, arbeiten im Rahmen des Humangenom-Projekts (HUGO) und des Arabidopsis-Genom-Projekts zahlreiche Forschergruppen in Nordamerika, der Europäischen Union und Japan zusammen.

Auf Papier gedruckt wird das vollständige Buch wahrscheinlich nie; denn die Buchstaben des menschlichen Genoms würden allein etwa eine halbe Million Seiten dieser Zeitschrift füllen. Passend für die heutige Zeit wird das monumentale Werk deshalb als elektronische Datenbank aufgelegt.

Das menschliche Erbgut ist in 23 Chromosomenpaaren verpackt. Das Chromosom 22 gehört zu den kleinsten; seine DNA macht nur 1,6 bis 1,8 Prozent des menschlichen Genoms aus (Bild). Dennoch besteht sie aus beachtlichen 33,4 Millionen "Buchstaben" in Form sogenannter Basenpaare, deren genaue Reihenfolge – mit wenigen kurzen Lücken – jetzt veröffentlicht wurde. (Allerdings wissen wir nicht, wessen DNA analysiert worden ist, erfahren also nichts über eine bestimmte Person). Die Sequenz umfaßt mindestens 545 Gene, die bisher identifiziert wurden.

Erhellendes über Erbleiden


Was auf den ersten Blick bloße Kolonnen von Buchstaben und Zahlen sind, vermag letztlich grundlegende Einblicke in die menschliche Biologie zu gewähren. Erste Erkenntnisse dürften vor allem Erbkrankheiten betreffen. Klassische Untersuchungen haben ergeben, daß fehlerhafte Veränderungen von Genen auf Chromosom 22 für wenigstens 27 erblich bedingte Leiden und Anomalien verantwortlich sind. Dazu zählen verschiedene Formen von Krebs sowie Störungen der Fötusentwicklung, die zu angeborenen Mißbildungen und Erkrankungen des Nervensystems führen. Beispiele sind das schon äußerlich erkennbare Katzenaugen-Syndrom mit möglichen inneren Mißbildungen, das Di-George- oder Schlundtaschen-Syndrom, an dem die meisten Patienten in der frühen Jugend sterben, oder die zerebellare Ataxie. Außerdem gibt es Hinweise darauf, daß ein Bereich auf Chromosom 22 mit Schizophrenie zusammenhängt.

Insgesamt enthält Chromosom 22 schätzungsweise gut 1000 Gene, die es nun durch weitere Analyse der Daten und ergänzende Experimente zu identifizieren gilt. All dies ist freilich nur ein Vorgeschmack auf das, was noch folgen wird: Innerhalb der nächsten drei Jahre soll die gesamte genetische Information des Menschen entschlüsselt werden, insgesamt rund 140000 Gene.

Auch bei der Erforschung des Genoms von Pflanzen hat es in jüngster Zeit große Fortschritte gegeben. So haben Pflanzengenetiker nun die fast komplette genetische Information zweier Chromosomen der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) dokumentiert. Damit ist die Entschlüsselung eines kompletten Pflanzen-Genoms in greifbare Nähe gerückt. Immerhin umfaßt die jetzt veröffentlichte DNA-Sequenz 30 Prozent aller Gene der Ackerschmalwand. Die beteiligten Forscher sind optimistisch, daß das Genom bis Ende dieses Jahres komplett entschlüsselt sein wird – also wahrscheinlich noch vor dem menschlichen Erbgut.

A. thaliana ist zwar nur ein unscheinbares Unkraut aus der Familie der Kreuzblütler (Brassicaceae). Doch wurde sie für das erste Pflanzen-Genomprojekt ausgewählt, weil sie ein für Pflanzen extrem kleines Genom mit nur fünf Chromosomenpaaren besitzt. Dennoch verfügt A. thaliana über dieselben Gene, die auch für andere Blütenpflanzen typisch sind. Nur fehlen ihr – zur Freude der Genforscher – die sonst üblichen langen "sinnlosen" Abschnitte zwischen den Genen, die bei der biochemischen Analyse und der Datenauswertung große Probleme bereiten. Zudem ist über viele grundlegende Lebensvorgänge von A. thaliana, da sie schon seit langem als beliebtes Studienobjekt der Pflanzengenetiker dient, mehr bekannt als bei anderen Pflanzen.

Genau 7781 Gene wurden auf den beiden Chromosomen der Ackerschmalwand identifiziert. Wenn man diese Zahl auf das gesamte Genom hochrechnet, verfügt die Pflanze über rund 25000 Bauanleitungen für Proteine. Das ist wenig, gemessen am Menschen, aber überraschend viel im Vergleich zu Vertretern der niederen Tiere. Einigermaßen zuverlässige Schätzungen gibt es für die Taufliege Drosophila melanogaster und den kleinen Fadenwurm Caenorhabditis elegans. Beide bringen es vermutlich auf knapp 20000 Gene. Dabei haben sie ein Nervensystem und zeigen komplexe Verhaltensweisen. Drosophila etwa kann fliegen und mit Hilfe von hochentwickelten Augen sehen.

Damit scheinen diese Tiere viel stärker differenzierte Organismen zu sein als Arabidopsis, bei der insgesamt überhaupt nur 50 verschiedene Zelltypen bekannt sind. Aber möglicherweise trügt der Schein; denn Pflanzen wiederum können vieles, was Tiere nicht fertig bringen: Sie stellen durch Photosynthese aus Kohlendioxid und Wasser Kohlenhydrate her, produzieren Sauerstoff, synthetisieren aus einfachen chemischen Vorstufen Aminosäuren und Vitamine und produzieren in ihren Zellen durch komplizierte chemische Umsetzungen eine Vielzahl von ungewöhnlich strukturierten organischen Verbindungen, die beispielsweise als Gifte wirken oder als Heilmittel dienen können. Pflanzen registrieren die Schwerkraft und reagieren darauf; desgleichen haben sie ein "Gespür" für die Qualität und Quantität des Lichts und die Tageslänge.

Seit rund 1,5 Milliarden Jahren gehen Tiere und Pflanzen getrennte stammesgeschichtliche Wege. Alle Eigenschaften, die vielzellige landbewohnende Organismen auszeichnen, haben sich in den zwei Entwicklungslinien in unterschiedlicher Ausprägung und unabhängig voneinander herausgebildet. Deshalb durfte man generell erwarten, daß Pflanzen und Tiere zwar eine Menge ähnlicher, zugleich aber auch jeweils viele für sie spezifische Gene haben. Das scheinen die DNA-Untersuchungen zu bestätigen.

Zugleich gibt es bei Tieren und mehr noch bei Pflanzen genetische Ähnlichkeiten mit Bakterien. Deshalb läßt sich die Funktion eines in einer Pflanze neu gefundenen Gens bis zu einem gewissen Grad vorhersagen, wenn man es mit einem bekannten Gegenstück aus Bakterien oder Tieren vergleicht. Bei fast 60 Prozent aller Arabidopsis-Gene auf den Chromosomen 2 und 4 bestehen solche Analogien. Die zugehörigen Proteine spielen etwa in der Photosynthese oder bei der Bildung von Aminosäuren eine Rolle – Prozesse, die für Pflanzen und bestimmte Bakterien spezifisch sind. Andere Gene wirken bei Vorgängen mit, die in Pflanzen und Tieren ähnlich ablaufen. So gibt es auf dem Chromosom 2 von Arabidopsis 218 Gene für Proteine, die sich an DNA binden und als sogenannte Transkriptionsfaktoren das Ablesen der Erbinformation steuern.

Verdopplung von Chromosomenstücken


Pflanzen wie Tiere haben Tausende von Rezeptorproteinen. An der Zelloberfläche oder im Zellinneren fungieren diese als Sensoren für Hormone oder andere Moleküle, die Botschaften übermitteln. Vielfach handelt es sich um Proteinkinasen: Enzyme, die andere Proteine mit einem Phosphatrest versehen und sie so aktivieren oder blockieren. Auf diese Weise geben Rezeptoren aufgefangene Botschaften weiter und verstärken sie. Während aber die Proteinkinasen der Pflanzen wahlweise die Aminosäuren Serin, Threonin oder Histidin in den Proteinen phosphorylieren, ist bei Tieren gewöhnlich nur Threonin betroffen. Generell scheinen vielfach Proteine mit unterschiedlicher Evolutionsgeschichte gleichartige Aufgaben bei Pflanzen und Tieren wahrzunehmen.

Viele Gene liegen nicht nur als Original in der DNA eines Chromosoms vor, sondern sind verdoppelt oder zu ganzen Genfamilien vervielfacht. Die Mitglieder einer Genfamilie unterscheiden sich um so stärker, je länger der Kopiervorgang zurückliegt. Manche Verdopplungen haben bereits vor der Aufspaltung in Pflanzen und Tiere stattgefunden. Gen-Kopien sind häufig tandemartig aneinandergereiht. Im Chromosom 2 von A. thaliana sind 593 Gene von Verdopplungen betroffen. Außer einzelnen Genen oder kleinen Gengruppen kommen auch einige größere Genomstücke doppelt vor, sind dann aber meist weit voneinander getrennt. Das Doppel eines umfangreichen DNA-Stücks von Chromosom 4 mit 37 Genen sitzt sogar auf einem ganz anderen Chromosom (5).

Besonders gut untersucht sind die Familien der Rubisco- und der CAB-Gene. Beide spielen eine Rolle bei der Photosynthese. Rubisco schleust Kohlendioxid in den Pflanzenstoffwechsel ein. Bei A. thaliana umfaßt diese Familie nur drei Mitglieder, in anderen Pflanzen bis zu zwölf. Innerhalb einer Pflanzenart differieren die Rubisco-Proteine in höchstens vier Aminosäuren. Solche feinen Abweichungen haben vermutlich keinen Einfluß darauf, was diese Proteine tun und wie sie es tun. Aber oft werden die einzelnen Familienmitglieder in unterschiedlicher Menge gebildet, treten in unterschiedlichen Pflanzenorganen auf oder sind nur in bestimmten Wachstumsphasen nachweisbar.

An die CAB-Proteine ist der grüne Blattfarbstoff Chlorophyll gebunden. Mit ihm zusammen fangen sie wie Antennen das für die Photosynthese benötigte Sonnenlicht ein. Die Mitglieder der CAB-Genfamilie divergieren stärker als die Rubisco-Proteine: Sie unterscheiden sich sowohl in ihrer Struktur als auch in ihrer Funktion im Lichtsammelapparat.

Chromosom 2 von A. thaliana enthält auch eine Region, die fast identisch mit dem Genom der Mitochondrien ist. Mitochondrien sind neben den grünen Chloroplasten die Kraftwerke und Energieversorger der Pflanzenzelle und enthalten wie diese eigene Erbsubstanz. Vermutlich stammen sie – ebenso wie die Chloroplasten – von Bakterien ab, die im Frühstadium der Entwicklung des Lebens von einfachen kernhaltigen Zellen einverleibt wurden. Da 75 Prozent der Mitochondrien-Gene geschlossen auf Chromosom 2 liegen, muß eine Kopie eines großen Stücks der Mitochondrien-DNA aus dem membranumschlossenen Organell in den Zellkern verschoben worden sein.

So vermittelt dieser erste Einblick in die genetische Architektur eines Pflanzenchromosoms den Eindruck von Dynamik und stetiger Veränderung. Gespannt sein darf man auf die Funktion jener zunächst noch hypothetischen Gene, die immerhin 40 Prozent des gesamten Genbestands der Ackerschmalwand ausmachen. Viele erwarten, daß bei der Suche nach ihnen Eigenschaften von Pflanzen zutage kommen, die noch niemand kennt. Diese Gene dürften auch weitere wertvolle Werkzeuge für Biotechnologen abgeben, die damit in den Pflanzenstoffwechsel eingreifen und ihn in nützlicher Weise verändern können.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 3 / 2000, Seite 24
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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