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Genomik Teil 2: Was kommt nach dem Genom?

Bald kennen wir die vollständige DNA-Sequenz des Menschen. Aber wie nutzen wir das Wissen? Besonders auf dem expandierenden Feld der Proteomik erwarten Wissenschaft und Wirtschaft eine reiche Ernte.


Noch nie waren Gene und Genome so populär wie heute. Nachdem Ende Juni die "Rohfassung" des menschlichen Genoms vorgestellt wurde, ist es jetzt nur eine Frage der Zeit, wann die Sequenz komplett vorliegt. Daher konzentriert die wissenschaftliche Avantgarde ihre Arbeitskraft bereits auf die nächste Aufgabe: Sowohl die Forscher als auch Pharmahersteller wollen die Eigenschaften der von den Genen codierten Proteine kennen lernen. Sie wollen wissen, welche Zellen was für Proteine bilden, ob ein Protein mit "Partnern" zusammenwirkt oder allein und wie sich eine gesunde Zelle in ihrer Proteinausstattung von einer kranken unterscheidet. Da die Eiweißmoleküle als viel versprechende Ansatzmöglichkeiten für neue Wirkstoffe gelten, fließt immer mehr Geld in die so genannte Proteomik: die Forschung, die diese Themen abdeckt.

Auf die Frage, was nach dem Genom kommt, lautet also die Antwort: Vor allem Boten-RNA- und Proteinmoleküle: Wenn die Erbsubstanz DNA der Bauplan der Zelle für die Konstruktion von Proteinen verkörpert, dann entspricht die ihr chemisch ähnliche Boten-RNA einem herauskopierten Teil dieses Plans, den ein Subunternehmer täglich mit auf die Baustelle nimmt. Die DNA bleibt im Zellkern; einzig die Boten-RNAs, die an aktivierten Genen als Abschrift entstehen, verlassen ihn und wandern zu den Proteinfabriken der Zelle.

Praktisch jede Körperzelle enthält zwar die gesamte Erbinformation, die einst die befruchtete Eizelle mitbekam, aber viele der Gene verstummen nach Abschluss der Embryonalentwicklung, liefern somit keine Blaupausen mehr. Andere Gene aktiviert der Zellapparat zu verschiedenen Zeiten und inaktiviert sie wieder, je nachdem, welchem Gewebeverband die Zelle angehört und welche Aufgabe ihre Produkte – meist Proteine – im Organismus erfüllen. Die spezialisierten Zellen in der Bauchspeicheldrüse zum Beispiel enthalten in der Regel viel Boten-RNA mit der Anweisung zur Herstellung des Hormons Insulin. In Gehirnzellen dagegen kommt diese RNA normalerweise nicht vor.

DNA-Chips für die Analyse von Krebs


Früher lautete der Grundsatz: Jedes Gen steht für nur eine Boten-RNA und nur ein Protein. In Wirklichkeit sind die Verhältnisse jedoch deutlich komplizierter. Wie wir heute wissen, kann die Zellmaschinerie ein Gen auch in Teilen ablesen, diese RNA-Elemente anschließend umordnen und neu zusammensetzen. Das Resultat ist eine Reihe verschiedener Boten-RNA-Moleküle. Damit nicht genug: Die neu gebildeten Proteine erlangen mitunter durch Nachbearbeitung nochmals andere Funktionen. Die DNA-Sequenz des menschlichen Genoms erzählt uns also nur zu einem kleinen Teil, was in einer bestimmten Zelle vorgeht. Aus diesem Grund richten die Forscher und Entwickler von neuen Wirkstoffen ihre Aufmerksamkeit heute auf Transkriptom und Proteom, also auf die Gesamtheit der Boten-RNAs und Proteine, die eine Zelle zu einem bestimmten Zeitpunkt produziert.

Zur Untersuchung des menschlichen Transkriptoms stehen diverse Werkzeuge zur Verfügung. Ein Verfahren nutzt so genannte DNA-Chips zur Analyse: Glasplättchen, so groß wie ein Daumennagel, beschichtet mit einem geordneten Punktraster spezieller DNA-Fragmente. Jeder dieser unterschiedlichen DNA-Schnipsel "passt" nur zu bestimmten Boten-RNA-Molekülen. Auf dem nur knapp Quadratzentimeter großen "Mikroarray" warten mehrere Tausend dieser verschiedenen Fängermoleküle auf ihre RNA-Partner. Das System funktioniert folgendermaßen. Man isoliert die gesamte Kollektion an Boten-RNAs aus den zu untersuchenden Zellen und versieht sie mit einer chemischen Markierung, beispielsweise einem Fluoreszenzfarbstoff. Die Mischung kommt auf den Chip. Immer wenn eine der Boten-RNAs zu einem DNA-Fängermolekül passt, lagert sie sich daran. Anschließend sucht ein Analyse-Automat den Chip nach Markierungen ab und kann dann anhand der Position des Signals bestimmen, welches Stück DNA einen RNA-Partner geangelt hat. Damit weiß man auch, welches Gen in den Zellen aktiv war.

Anfang dieses Jahres brachte die kalifornische Chip-Firma Affymetrix zwei neue Chipsätze zur Analyse menschlicher Zellen auf den Markt. Der Eine davon kann alleine über 60 000 verschiedene menschliche Boten-RNAs identifizieren; die andere Chip-Sorte ermöglicht die gezielte Suche nach etwa 1700 Boten-RNA-Typen, die Forscher mit Krebs in Verbindung bringen.

Am Nationalen Krebs-Institut der USA in Bethesda (Maryland) untersuchen Wissenschaftler schon seit über zwei Jahren, welche Boten-RNA-Typen in verschiedenartigen Krebszellen entstehen. Ziel ist ein möglichst vollständiger Katalog der menschlichen Krebsgene. Dieser Human Tumor Gene Index entsteht als Gemeinschaftsarbeit von verschiedenen staatlichen Einrichtungen und Universitätsinstituten sowie einem Konsortium von Pharmafirmen, dem Bristol-Myers Squibb, Genentech, Glaxo Wellcome und Merck angehören.

Proteine sind der beste Ansatzpunkt für Pharmaka


Der Katalog enthält derzeit mehrere tausend Gene, die jeweils bei mindestens einer Krebsart aktiv sind. Allein in Brustkrebszellen finden die Molekularbiologen 277 Gene, die in keinem anderen Gewebe angeschaltet sind. Die zugehörigen Proteine gelten als potenzielle Angriffspunkte für neue Arzneiwirkstoffe. Erst in jüngster Zeit startete am Nationalen Krebs-Institut in Zusammenarbeit mit der US-amerikanischen Arzneimittelbehörde FDA ein weiteres, viele Millionen Dollar schweres Projekt, mit dem Ziel, die an Krebserkrankungen beteiligten Proteine zu identifizieren. Es läuft unter dem Namen Tissue Proteomics Initiative (Gewebe-Proteomik-Initiative).

Eigentlich sind RNA-Untersuchungen bloß ein Mittel zum Zweck, mehr über gerade zu produzierenden Proteine einer Zelle zu erfahren – denn schließlich sind Proteine der beste Ansatzpunkt für Pharmaka. Und nachdem Genomforscher heute damit rechnen, dass die etwa 40000 bis 100000 Gene eines Menschen mehr als eine Million Proteine hervorbringen, gibt es wahrscheinlich eine Menge solcher "Zielscheiben". Einige Experten schätzen, dass die pharmazeutische Industrie im Laufe der nächsten zehn Jahre etwa 10000 menschliche Proteine als mögliche Angriffspunkte für neue Wirkstoffe prüfen muss. Das sind 25-mal so viele, wie alle Pharmafirmen seit den Anfängen der Branche zusammen untersucht haben.

Zu den Wissenschaftlern, die sich für die Proteomik interessieren, gehören auch die Mitarbeiter der DNA-Sequenzfabrik Celera. Die Firma verhandelte unter anderem mit GeneBio, einem kommerziellen Ableger des Genfer Instituts für Bioinformatik, über die Gründung einer Firma zur Analyse des gesamten menschlichen Proteoms. Denis F. Hochstrasser, einer der Gründer von GeneBio, veröffentlichte letztes Jahr zusammen mit seinen Kollegen die Pläne für einen Molekülanalysator, mit dem man den bisher sehr langwierigen Vorgang, Tausende von Proteinen in einer Zelle zu trennen und zu identifizieren, automatisieren könnte.

Mitgegangen, mitgefangen


Bislang ist die so genannte zweidimensionale Gel-Elektrophorese die Methode der Wahl, wenn es darum geht, ein Gemisch aus mehreren tausend verschiedenen Proteinen zu analysieren. Dabei erfolgt die Trennung in der "ersten Dimension" normalerweise nach dem Gehalt der Proteine an sauren und basischen Aminosäurebausteinen in einem feinen Gel-Stäbchen mit eingebautem pH-Gradienten. Danach folgt die "zweite Dimension": Das Stäbchen mit den grob separierten Eiweißmolekülen kommt an den Rand einer flachen Gel-Platte. In Gegenwart eines elektrischen Feldes wandern die Proteine durch die Gel-Platte: kleine Moleküle laufen weiter als die größeren, die häufiger in den engen Gelporen hängen bleiben. (siehe auch Spektrum der Wissenschaft 4/00, S. 24) Das Ergebnis ist ein verschmiertes Muster aus Flecken, die jeweils ein anderes Protein enthalten.

Diese Proteinflecken stanzen die Forscher meist mit einem Instrument, ähnlich einem Bürolocher, aus den Gel-Scheiben heraus und analysieren sie einzeln mit Hilfe der Massenspektroskopie. Die Roboter von Hochstrasser und seinen Mitarbeitern sollen die Proteinflecken automatisch aus den Gelen gewinnen, dann die Proteinmoleküle mit Enzymen in Bruchstücke zerlegen, in ein Laser-Massenspektrometer füttern und die Messwerte zur Analyse an Computer weiterleiten.

Ob mit oder ohne Roboterarme – zweidimensionale Gele sind nicht unproblematisch, denn sie trennen Proteine mit geringer Masse oder solche, die normalerweise die Zellmembran durchspannen, nur sehr schlecht von einander. Das ist ein leidiges Handikap, denn gerade die Rezeptor-Proteine, die wichtige Ansatzpunkte für therapeutische Wirkstoffe bieten, stecken meistens in den Zellmembranen.

Eine andere Methode zur Untersuchung des Proteoms funktioniert – einfach gesagt – nach dem Prinzip "mitgegangen, mitgefangen": Dabei prüfen die Wissenschaftler, ob ein Protein mit unbekannter Funktion mit einem anderen interagiert, dessen Tätigkeit in der Zelle bereits bekannt ist. Im Februar berichteten Forscher der Firma CuraGen in New Haven (Connecticut) sowie eine Gruppe unter Leitung von Stanley Fields am Howard-Hughes-Institut für Medizin an der Universität von Washington in Seattle, sie hätten auf diesem Weg für 1004 Proteine der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae insgesamt 957 Wechselbeziehungen abgeleitet. Das dabei eingesetzte so genannte Zwei-Hybrid-System der Hefe ist heute ein allgemein gebräuchliches Verfahren zur Untersuchung von Protein-Wechselwirkungen.

Seit der Sequenzierung des Hefe-Genoms 1996 wissen wir beispielsweise, dass es etwa 6000 Gene enthält, doch bei einem Drittel davon ist die Funktion nach wie vor ein Rätsel. Immerhin konnten die CuraGen-Wissenschaftler und ihre Kollegen von der Universität die unbekannten Proteine bestimmten Funktionskategorien zuordnen wie Energieerzeugung, DNA-Reparatur und Zell-Alterung. Geprüft hatten sie dazu, mit welchen bereits identifizierten Proteinen diese Moleküle in Wechselwirkung treten.

Hefe und Fliege als Probelauf


Im März gab CuraGen außerdem bekannt, man habe mit dem Drosophila-Genomprojekt an der Universität von Kalifornien in Berkeley vereinbart, gemeinsam eine "Landkarte" der Wechselwirkungen zwischen den Proteinen der Taufliege zu erstellen (siehe auch Kasten auf Seite 35). "Wir wollen dieses große Unternehmen parallel vorantreiben", sagt der CuraGen-Gründer Jonathan M. Rothberg. "Die Hefe war für uns eine Art Probelauf, aber wenn man ein vielzelliges Lebewesen untersuchen will, ist Drosophila gut geeignet." Seine Firma möchte mit Hilfe der Proteomik neue Wirkstoffe finden – ein Ziel, das nun viele Biotech-Unternehmen vor Augen haben. Die Auftraggeber der Firma sind verschiedene Pharmaunternehmen. "Bei unserer Proteomik geht es ausschließlich um zwei Fragen: Welche Funktion hat unser Gen? Und ist es selbst oder sein Produkt ein Ansatzpunkt für Pharmaka?", erläutert Rothberg.

Auch bei Myriad Genetics in Salt Lake City bedient man sich des Zwei-Hybrid-Systems der Hefe, wenngleich in einer abgewandelten Form. Hier konzentrieren sich die Proteom-Forscher aber nicht auf die Untersuchung ganzer Proteome, sondern auf die Entstehungsmechanismen einzelner Krankheiten. Bekanntheit erlangte Myriad Genetics vor allem mit Schnell-Tests auf Mutationen in bestimmten Brustkrebsgenen.

Einen weiteren Weg zur Proteinuntersuchung eröffneten erst kürzlich neuartige Proteinchips. Die Biotechnologiefirma Ciphergen Biosystems im kalifornischen Palo Alto vertreibt mittlerweile eine ganze Reihe von Analysestreifen, mit denen man Eiweißstoffe auf Grund ganz bestimmter übergreifender Eigenschaften isolieren kann; zum Beispiel weil sie sich in Wasser lösen oder an Metall-Ionen binden. Der vollautomatische Chip-Leser der Firma wertet die Streifen aus und identifiziert die gebundenen Proteine mit dem eingebauten Massenspektrometer.

Einer der ersten Anwendungsbereiche für Proteinchips bestand in der Suche nach frühen "Markern" für Prostatakrebs. Im Dezember 1999 berichtete George L. Wright von der Medizinischen Fakultät der Universität von Ost-Virginia in Norfolk, man habe das Ciphergen-System zum Nachweis von zwölf potenziellen "Biomarkern" für gutartige Prostata-Erkrankungen eingesetzt sowie von sechs ähnlichen Markern für Prostatakrebs. Von Tests, die sich auf diese "Marker-Proteine" stützen, hoffen Mediziner, bald besser zwischen harmlosen und bösartigen Prostata-Erkrankungen unterscheiden zu können.

Die von Forschern angestrebte Identifizierung aller menschlichen Proteine ist allerdings selbst nur wieder ein Schritt: Um die Funktion eines Proteins wirklich zu verstehen, gilt es, auch dessen Form und Struktur zu ermitteln. Daher rief im letzten Oktober eine Gruppe angesehener Strukturbiologen unter Führung von Stephen K. Burley von der Rockefeller-Universität in New York zu einer "Strukturgenomik-Initiative" auf. Ihr Ziel: den räumlichen Aufbau normaler und anomaler Proteine mit Hilfe einer mehr oder weniger automatisierten Röntgenstrukturanalyse zu ermitteln.

Proteine laufen den Genen den Rang ab


Für das herkömmliche Verfahren muss man das interessante Protein in reiner Form gewinnen und Kristalle daraus züchten. Röntgenstrahlen werden an den Atomen der Moleküle abgelenkt und erzeugen ein charakteristisches Beugungsmuster. Experten können daraus die räumliche Gestalt des Moleküls ableiten. Der Erfolg einer Strukturgenomik-Initiative hängt sicherlich von der Weiterentwicklung heutiger Verfahren ab. Es bedarf möglichst automatisierter Systeme, die diese Arbeit schneller im Großmaßstab bewältigen (siehe Gastkommentar auf Seite 98/99).

In den Vereinigten Staaten wollen die Nationalen Gesundheitsinstitute den universitären Forschungseinrichtungen allein in diesem Jahr 20 Millionen Dollar an Fördermitteln für die Strukturgenomik bereitstellen. Auch Firmen interessieren sich mittlerweile für dieses wichtige Segment der Proteom-Forschung: Mehrere Biotechnologieunternehmen auf der ganzen Welt arbeiten derzeit mit Hochdruck an der Entwicklung so genannter Hochdurchsatz-Röntgenstrukturanalyse-Methoden. Denn erst nach der Strukturaufklärung können Moleküldesigner Verbindungen entwickeln, die gezielt mit bestimmten Stellen der Proteine wechselwirken und sie blockieren oder aktivieren. Dieses "rationale Moleküldesign" führte allerdings bislang noch zu keinem durchschlagenden Erfolgen – auch weil bisher nur die Struktur von etwa einem Prozent aller menschlichen Proteine ermittelt ist.

Spätestens dann, wenn wir in einigen Jahren oder Jahrzehnten alle Strukturen entschlüsselt und auch das menschliche Proteom katalogisiert haben, laufen die Proteine den Genen den Rang ab. Denn nach heutigem Kenntnisstand ist es in jedem Fall leichter, von außen die Funktion eines Proteins zu steuern als über den Umweg der Gene anzugreifen.

Literaturhinweise

Proteomics to study genes and genomes. Von A. Pandey und M. Mann in: Nature, Bd. 405, S. 837 – 846, 15. Juni 2000.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 9 / 2000, Seite 37
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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