Happy DNA-Day!
BLOG: Enkapsis
Zwischen Molekularbiologie und Medizin
1953 wurde die Struktur der DNA aufgeklärt und 50 Jahre später die erste vollständige Sequenz des Humangenoms veröffentlicht. Diese beiden Großereignisse in der Wissenschaft werden heute am DNA-Tag gefeiert. Es soll dabei ins Gedächtnis gerufen werden, was diese Arbeiten für einen Einfluss auf die heutige Gesellschaft hatten. In einem Satz lässt sich vielleicht sagen, dass die biomedizinische Forschung ohne diese beiden Ereignisse nicht da wäre, wo sie heute ist. Wir sind aber noch lange nicht am Ende der Genomforschung angekommen, da sich immer wieder neue Fragen stellen und alte Fragen neu gestellt werden müssen. So wurde die Hypothese, dass ein Gen für ein Enzym kodiert schon längst überholt. Man machten daraus die ein-Gen-ein-Protein-Hypothese und daraus dann die ein-Gen-eine-Nukleinsäure-Hypothese, aber selbst diese ist nach dem wissenschaftlichen Stand noch nicht richtig. Ein Gen kann nämlich durchaus für mehrere verschiedene Nukleinsäuren kodieren. Ein Verfahren, dass durch das alternative Spleißen möglich ist. Wie man sieht, ist man noch ein Stück weit davon entfernt, dem Wort "Gen" eine richtige Definition zu geben, da immer wieder festgestellt wird, dass ein Gen etwas Komplexeres ist, als wir es je gedacht haben. Es ist dynamisch, muss nicht unbedingt das machen, wozu es "programmiert" wurde und reagiert auf Mutationen immer unterschiedlich. Trotzdem muss man sagen, dass der Mensch eine ungefähre Ahnung hat, was mit unseren Genen, unserer DNA und Genom so los ist und kann heute schon vielfach dort eingreifen.
Man hat sich dabei einen Mechanismus zu eigen gemacht, der schon seit Jahrmillionen in der Natur zu finden ist: Die Integration von Viren-Erbgut in den menschlichen Wirt. Über Jahrtausende sind Menschen gleichzeitig mit Viren Co-evolviert und haben sich gegenseitig angepasst. So finden sich heute in rund 98% der Weltbevölkerung Epstein-Barr-Virus-Erbgut in der eigenen DNA. Ein anderer erstaunlicher Fakt ist, dass 45% unseres Genoms aus Transposons besteht. Dies sind DNA-Elemente, die sich teilweise mobilisieren und im Genom hin- und herspringen können. Diese Elemente sind Überbleibsel von Viren, die uns Menschen vor langer Zeit infiziert und uns ihr Erbgut hinterlassen haben. Soche Viren, die Mechanismen entwickelt haben ihr Erbgut in das unsere zu integrieren, werden in der Medizin dazu benutzt, um Menschen von verschiedenen Krankheiten zu heilen.
So kommen vor allem bei sogenannten Gentherapien Retro- und Adenoviren zum Einsatz, die genetisch manipuliert wurden und Gene in sich tragen, die sie in die geschädigten Zielzellen bringen sollen, um so den Menschen zu heilen. Das Virus steuert dabei ganz spezifisch das kranke Gewebe an, schleusst sich dort in die Zellen ein und überträgt die in sich tragenden Gene in die DNA des Menschen. So können "krankmachende" Gene etwa durch "gesunde" ausgetauscht werden. Ein ähnliches Prinzip macht sich die Stammzellentherapie zu eigen, bei der Zellen, die ein starkes Differenzierungspotential aufweisen in krankes Gewebe eingebracht und dann angeregt werden, das kranke Gewebe durch gesundes zu ersetzen. Auch hier kommen wieder Viren zum Einsatz. Sie transportieren nämlich Wachstums- und Differenzierungsfaktoren zu diesen Stammzellen und regen sie dazu an zu den Zellen zu werden, zu denen sie vorgesehen sind. Man hat sich die Natur also zu eigen gemacht und sich von ihr abgeschaut, was sie schon seit sehr langer Zeit selber macht.
Dabei dürfen wir nicht vergessen, dass sehr viel Vorlauf nötig war, um überhaupt so weit zu kommen und deswegen möchte ich nun einen kleinen geschichtlichen Überblick über einige wichtige wissenschaftliche Ereignisse geben, um so diesen Wissenschaftler zu danken, was durch sie heute möglich ist.
1871 Friedrich Miescher isoliert eine als Nuklein bezeichnete Substanz aus Eiter und aus Lachssperma
1889 gelingt Richard Altman die erste Isolation von Nukleinsäuren in Reinform
1903-1904 Boveri und Sutton begründen die Chromosomentheorie
1910-1915 Morgan beschreibt die lineare Anordnung von Genen auf Chromosomen
1928 fürhte Frederick Griffith den Versuch der Transformation durch bei dem eine erbliche Eigenschaft eines Bakterienstamms auf einen anderen übertragen wurde –> Hinweis auf Erbsubstanz
1944 Oswald Avery erkennt die DNA als Träger der Erbinformation
1950 Basenpaarung von Adenin und Thymin sowie Cytosin und Guanin durch Erwin Chargaff postuliert
1952 bestätigten A.D. Hershey und Martha Chase durch Versuche mit dem Bakteriophagen T2, dass die DNA Träger des Erbmaterial ist
1953 Beschreibung der DNA als Doppelhelix durch Watson, Crick, Wilkins und Franklin
1956 Joe Hin Tjio and Albert Levan finden heraus, dass Menschen 46 Chromosomen besitzen
1958 Beweis für die semikonservative Replikation der DNA durch Meselson und Stahl
1961-1969 Entschlüsselung des genetischen Codes durch Nierenberg, Matthaei und Ochoa
1967 Entdeckung von Restriktionsenzymen durch Arber
1977 DNA-Sequenzierung nach Sanger
1990 Start des Humengenomprojekts
1995 Veröffentlichung der kompletten Sequenz des Genoms von Haemophilus influenza
2003 Veröffentlichung der Sequenz des menschlichen Genoms
21. Jahrhundert Vererbung von Eigenschaften nicht mehr allein durch Gene, sondern auch durch epigenetische Modifikationen des Erbguts möglich
Die Natur ist unrein!
Die Bausteine, Abläufe und Mechanismen in den Organismen wurden offensichtlich nicht von einem menschlichen Ingenieur ausgedacht, denn dann gäbe es wohl kaum so “riskante” verwickelte Dinge wie das alternative Spleissen. Was die Forscher zuerst annahmen: 1 Gen => 1 Produkt, würden sie als Ingenieur-Gott wohl auch verwirklichen. Schliesslich ist Sauberkeit und Klarheit das Aushängeschild des intelligenten Designers.
Das Leben scheint also nicht von einem Uhrmacher zu stammen und es gibt (vielleicht) viel Raum für Verbesserungen und radikales Neudesign.
Werden unsere Nachfahren einmal sagen: Ja, das Leben ist von selbst entstanden. Aber das war Pfusch. Erst nach unserem radikalen Reengineering/ja Redesign ist Leben das was es immer hätte sein sollen.
Epigenetik und Vererbung
Sebastian Reusch schreibt: 21. Jahrhundert Vererbung von Eigenschaften nicht mehr allein durch Gene, sondern auch durch epigenetische Modifikationen des Erbguts möglich
Das scheint zu stimmen – epigenetische Veränderungen können (in seltenen Fällen, siehe ) vererbt werden. Doch das ist eher etwas Exotisches. Doch halt!! Vielleicht arbeitet die Natur (vulgo Evolution) ja genau so: Trial and Reuse. Es wird eben mal etwas erfunden (z.B. die Vererbung von epigenetischen Eigenschaften) ohne sich viel dabei zu denken und später ist das vielleicht der Ursprung eines ganz neuen Stammbaumes, einer ganz neuen Linie. Wer weiss: Wenn es die Menschen nicht gäbe würde epigenetische Vererbung vielleicht irgendwann in den nächsten Jahrmillionen ganz wichtig werden und der Ursrpung einer ganz phantastischen Reihe von neuen Lebewesen sein?
Epigenetik und Vererbung 2
Zweite Fassung dieses Kommentars korrigiert ein paar spontane Mutationen der ersten Fassung.
Sebastian Reusch schreibt: 21. Jahrhundert Vererbung von Eigenschaften nicht mehr allein durch Gene, sondern auch durch epigenetische Modifikationen des Erbguts möglich
Das scheint zu stimmen – epigenetische Veränderungen können (in seltenen Fällen, siehe Wikipedia) vererbt werden. Doch das ist eher etwas Exotisches. Doch halt!! Vielleicht arbeitet die Natur (vulgo Evolution) ja genau so: Trial and Reuse. Es wird eben mal etwas erfunden (z.B. die Vererbung von epigenetischen Eigenschaften) ohne sich viel dabei zu denken und später ist das vielleicht der Ursprung eines ganz neuen Stammbaumes, einer ganz neuen Linie. Wer weiss: Wenn es die Menschen nicht gäbe würde epigenetische Vererbung vielleicht irgendwann in den nächsten Jahrmillionen ganz wichtig werden und der Ursrpung einer ganz phantastischen Reihe von neuen Lebewesen sein?
Epigenetik und Vererbung 3
Diese Fassung korrigiert eine Mutation in einer Vorgägnergeneration dieses Kommentars.
Hallo! Es macht also Sinn, dass die meisten Mutationen zum Tod führen! Garbage soll sich nicht vererben!!
Epigenetik und Vererbung 4
War ein Doppelfehler. Vererbung ist nicht immer gut.
@Martin Holzherr
Was auf Wikipedia steht, ist nicht wirklich richtig. Bei Pflanzen konnte nachgewiesen werden, dass eine stabile Vererbung von epigenetischen Modifikationen stabil über 8 Generationen hinweg erfolgen können. Beim Menschen schaut das Bild nach Stand der Forschung etwas anders. So können kann hier nur eine stabile Vererbung über 2-3 Generationen hinweg erfolgen. Es ist aber allerdings nicht von Vorteil, zu sagen “diese chemische Modifikation wird dann und dann weitervererbt”, da diese Modifikationen sehr stark durch die Umwelt beeinflusst werden. So können methylierte Gene oder acetylierte Histone nächsten Monat schon wieder ganz anders aussehen.
Auf die Epigenetik wurde man ja aufmerksam als man merkte, dass unterschiedliche Allele, die für gleiche Genprodukte kodieren, unterschiedlich exprimiert werden können. So etwas nennt man Genomic Imprinting. Sie ist also ein wesentlicher Bestandteil des Lebens, sehr aktiv und sorgt dafür, dass unterschiedliche Expressionsmuster existieren.
Ursprung neuer Lebewesen? So weit würde ich nicht gehen, da immer noch Mutationen, Rekombinationen und Selektion den größten Teil der Evolution zuzurechnen ist.
Falsch! Mutationen sind allerwesentliche Bestandteile der Evolution. Würde es keine Mutationen geben, hätte das Leben nicht die heutige Artenvielfalt. Mutationen sind schließlich nicht immer schlimm, das wird einem nur immer so gesagt! Wir Menschen besitzen im Durchschnitt ca. 10 Millionen Punktmutationen in unserem Genom und wir leben noch. Das zeigt doch, dass nicht alle Mutationen böse sind. Es sind nur die schlimm, die wichtige Genabschnitte betreffen und somit zu einer veränderten Genexpression führen.
Mathematik der DNA
Hier ist ein schöner Übersichtsartikel von J. Baez.