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Proteomik: Neues Werkzeug zum Erforschen des Erbguts

Ein Mechanismus, mit dem sich Zellen gegen Virusbefall wehren, hat sich als idealer Hebel erwiesen, um Gene nach Belieben abzuschalten und so ihre Funktion zu erforschen.


Stellen Sie sich folgenden merkwürdigen Traum vor. Sie sitzen in einem Konzert. Ein Orchester mit über 30000 Musikern spielt etwas, das vermutlich Musik sein soll, aber die Vielzahl der Töne und Rhythmen erzeugt nur ein kakophonisches Durcheinander, von dem Ihnen die Ohren dröhnen. Sie können weder einzelne Melodien noch Harmonien, Motive oder Themen heraushören. Weit und breit ist kein Dirigent zu sehen – verschiedene Instrumentengruppen scheinen sich nach mysteriösen Regeln gegenseitig zu beeinflussen. Tausende von Blechbläsern übertönen alle leiseren Instrumente, wenn sie nicht gerade von Dutzenden von Orgeln zugedeckt werden.

Während Sie sich die Ohren zuhalten, scheint Ihr Nachbar verzückt zu lauschen. In seiner Hand hat er ein Gerät, das wie eine Fernbedienung aussieht. Als Sie ihn verwundert anschauen, reicht er es Ihnen mit aufforderndem Lächeln. Sie nehmen es, drücken wahllos auf einen Knopf, und ein Wunder geschieht. Plötzlich erklingt nur noch die schmeichelnde Melodie einiger schluchzender Geigen. Sie drücken noch einmal, und ein Cello steuert eine schmelzende Begleitung bei. Und so können Sie aus dem wirren Gesamtklang nach Belieben einzelne Instrumente oder Instrumentengruppen herauslösen und gesondert anhören. Allmählich gewinnen Sie auf diese Weise eine Ahnung davon, aus welchen Stücken sich das Klangchaos zusammensetzt.

Eine solche Fernbedienung wäre der Wunschtraum von Forschern, die das Zusammenspiel der 30000 Gene im menschlichen Erbgut ergründen wollen. Doch er muss kein Traum bleiben. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Biophysikalische Chemie in Göttingen haben jetzt immerhin einen Stummschalter entwickelt, der nach Belieben einzelne "Instrumente" ausblendet. Trotz seiner beschränkten Möglichkeiten könnte er wesentlich dazu beitragen, mehr Klarheit in die unübersichtliche Vielstimmigkeit der menschlichen Gene zu bringen, von denen seit dem Abschluss des Human-Genom-Projekts eine mehr oder weniger komplette Liste vorliegt.

Verdächtiges Virus-Material wird fein säuberlich zerhackt

Bekanntlich hat die Erbsubstanz aller höheren Organismen die Form eines wendeltreppenartigen Doppelstrangs aus DNA-Molekülen (Desoxyribonucleinsäure). Die Treppenstufen bestehen aus Paaren von "Basen", die in dem Sinne komplementär sind, dass sie wie Nut und Feder zusammenpassen. Die Basen bilden die Buchstaben des genetischen Textes, der die Bauanleitungen für die Eiweißstoffe des Organismus enthält. Zur Herstellung eines Proteins werden zunächst Blaupausen des entsprechenden Gens in Form einer so genannten Boten-RNA (Ribonucleinsäure) angefertigt. Sie wandert zu den Ribosomen, wo sie als Vorlage für den Zusammenbau des zugehörigen Proteins dient.

Anders als die DNA sind Boten-RNAs einzelsträngig. Auf dieser Tatsache beruht ein Verteidigungsmechanismus vieler Lebewesen gegen Viren, der so alt ist, dass er sowohl bei den Insekten als auch bei den Pflanzen vorkommt – bei der Taufliege Drosophila melanogaster wurde er ebenso nachgewiesen wie bei der Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana.

Die Zellen dieser Organismen machen sich zu Nutze, dass das Erbgut der Schädlinge vielfach als doppelsträngige RNA vorliegt, die in einer Zelle normalerweise nicht vorkommt. Findet die Zellpolizei also ein doppelsträngiges RNA-Molekül, mutmaßt sie darin virale Konterbande und schneidet sie in kleine Stücke (etwa 21 Basenpaare lang), um sie unschädlich zu machen. Ein in seinen Einzelheiten noch ungeklärter Mechanismus sorgt anschließend dafür, dass auch jegliche Boten-RNA verschwindet, die dieselbe Information trägt und deshalb vermutlich gleichfalls von dem Virus stammt.

Wahrscheinlich erkennt ein Komplex aus mehreren Proteinen die Doppelstrangfragmente, heftet sich an sie und zerlegt sie in die beiden Einzelstränge. Mit diesen fischt er dann nach Boten-RNAs, die sich auf Grund ihrer komplementären Sequenz mit einem der beiden Stränge zusammenlagern können. Am Ende dürfte ein RNA-abbauendes Enzym (eine Ribonuclease oder kurz: RNase) die unliebsamen Nucleinsäuren verdauen und dem stofflichen Recycling zuführen.

Kürzlich konnten Emily Bernstein und ihre Mitarbeiter am Cold Spring Harbor Laboratory im US-Bundesstaat New York die Ribonuclease identifizieren, die bei der Taufliege die Fremd-RNA erkennt und in kurze Doppelstrangfragmente zerlegt (Nature, Bd. 409, S. 363). In Anlehnung an das Küchenwerkzeug zum Kleinhacken von Gemüse nannten sie das Enzym "Dicer" – der deutsche Ausdruck "Wiegemesser" klingt leider nicht annähernd so schön. Der Verteidigungsmechanismus selbst erhielt die Bezeichnung RNA-Interferenz.

Ob auch Säugetiere mit dieser Strategie Viren bekämpfen, war allerdings lange Zeit umstritten; es gab dazu widersprüchliche Befunde. Thomas Tuschl und seine Mitarbeiter am Göttinger MPI konnten die Frage jetzt definitiv beantworten, indem sie die an Drosophila gewonnenen Erkenntnisse einfach strikt auf Säugerzellen übertrugen. Zugleich entdeckten sie dabei eine ebenso einfache wie vielseitige Methode, gezielt beliebige Gene abzuschalten.

Die Taufliege zerhackt die Doppelstrang-RNA in Bruchstücke mit genau 21 Basenpaaren. Die Göttinger Forscher stellten solche Fragmente künstlich her und gaben ihnen die "Buchstabenfolge" von bestimmten Reportergenen, die sie in ihre Zellkulturen eingebaut hatten – darunter das Gen für das Leuchtenzym der Glühwürmchen (Luciferase). Nach der Injektion in die leuchtenden Säugerzellen unterdrückten die 21er-Doppelstränge die Ablesung des Luciferase-Gens: Das Glühen ließ messbar nach (Nature, Bd. 411, S. 494).

Als Nächstes zeigten Tuschl und seine Kollegen, dass ihr Stummschalter nicht nur mit eingeschmuggelten Reportergenen, sondern auch mit den eigenen Genen der Zelle funktioniert. Dazu verwendeten sie gängige menschliche Zell-Linien, die sich vom Tumor einer längst verstorbenen Krebspatientin ableiten. Sie konnten nachweisen, dass die Herstellung der Proteine Lamin A und Lamin C, die in der Membran des Zellkerns vorkommen, weitgehend unterdrückt wird, wenn die entsprechende Doppelstrang-RNA anwesend ist (Bild links oben).

Gene lassen sich nach Belieben abschalten

Allgemein scheint der Mechanismus bei Säugetieren genauso zu funktionieren wie bei Insekten. Entscheidend ist, dass die eingebrachten künstlichen RNA-Fragmente kürzer sind als dreißig Basenpaare. Oberhalb dieser Länge setzt bei Säugetieren nämlich eine allgemeinere Infektions-Antwort ein, an der das Interferon-System beteiligt ist.

Damit lässt sich nun für jedes beliebige der 30000 bekannten Gene im menschlichen Erbgut ein künstlicher Dämpfer herstellen und dann in Zellkulturen überprüfen, wie sich die Inaktivierung dieses Gens auf die Eigenschaften der Zelle auswirkt. Da Proteine aus einer Familie oft identische Abschnitte enthalten, kann man sogar ganze Gruppen ausschalten oder unterdrücken. Dazu braucht man weniger als ein Tausendstel der Menge an RNA wie bei der bisher schon angewandten "Antisense"-Methode, die einfach auf der Blockierung der Boten-RNA durch ihren komplementären Gegenstrang beruht.

Zwar werden sich mit diesem Verfahren nicht alle Fragen beantworten lassen, da viele Funktionen von Wechselwirkungen zwischen mehreren Proteinen, wenn nicht gar von der Kommunikation zwischen verschiedenen Zelltypen abhängen; doch dürften die Forscher für einen Großteil der noch rätselhaften menschlichen Gene auf schnelle und kostengünstige Weise elementare Informationen über deren Aufgabe und Bedeutung erhalten. Der neue Schalldämpfer könnte ihnen so schon bald dazu verhelfen, das scheinbare Durcheinander des menschlichen Gen-Orchesters aufzulösen in eine raffinierte Verschachtelung erfreulich harmonischer Konzerte.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 10 / 2001, Seite 15
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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