Biologie für Mediziner (Springer-Lehrbuch) (German Edition) [11., völlig neubearbeitete Auflage] 3642004512, 9783642004513 [PDF]

Zitiervorschau

Springer-Lehrbuch

Werner Buselmaier

Biologie für Mediziner 11., völlig neubearbeitete Auflage

Mit 203 Abbildungen und 106 Übersichten

123

Professor Dr. Werner Buselmaier Universität Heidelberg Institut für Humangenetik Im Neuenheimer Feld 366 69120 Heidelberg

ISBN-13 978-3-642-00451-3 Springer Medizin Verlag Heidelberg Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer Medizin Verlag springer.de © Springer Medizin Verlag Heidelberg 2009 Produkthaftung: Für Angaben über Dosierungsanweisungen und Applikationsformen kann vom Verlag keine Gewähr übernommen werden. Derartige Angaben müssen vom jeweiligen Anwender im Einzelfall anhand anderer Literaturstellen auf ihre Richtigkeit überprüft werden. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutzgesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürfen. Planung: Christine Trotta, Heidelberg Projektmanagement: Rose-Marie Doyon, Heidelberg Umschlaggestaltung & Design: deblik Berlin Titelbild: Elektronenmikroskopische Aufnahme humaner Papillom-Viren (mit freundlicher Genehmigung von H. Zentgraf, Deutsches Krebsforschungszentrum Heidelberg) Satz und Digitalisierung der Abbildungen: Fotosatz-Service Köhler GmbH – Reinhold Schöberl, Würzburg SPIN: 12268887 Gedruckt auf säurefreiem Papier.

15/2117 – 5 4 3 2 1 0

V

Vorwort zur elften Auflage Der »Begleittext zum Gegenstandskatalog für das Fach Biologie für Mediziner« fand bereits 1974 guten Anklang bei den Studenten der Humanmedizin, also kurz nach der grundlegenden Revision des Medizinstudiums in Deutschland, der damit verbundenen Gründung des Instituts für medizinische und pharmazeutische Prüfungsfragen und der Einführung von Gegenstandskatalogen. Fünfunddreißig Jahre danach liegt nun die 11. Auflage vor. Dabei war das Anliegen des Autors schon seit der 1. Auflage eine enge Orientierung an das im Gegenstandskatalog geforderte Wissen, ein Konzept, das sich durch ca. 150.000 verkaufte Bücher in 10 Auflagen bewährte. Diese Intension wurde ebenso wie die einer kurz gefassten Lernhilfe auch in der aktuellen Auflage beibehalten. In den letzten dreißig Jahren (also nach der Erstauflage und während der Folgeauflagen), fand in der Biomedizin eine bisher in den Naturwissenschaften und ihren Anwendungsgebieten nie dagewesene, geradezu als revolutionär zu bezeichnende Expansion unseres Wissens statt, und dieser Prozess gewinnt immer noch an Fahrt. Ein bisheriger Höhepunkt stellt die komplette Sequenzierung des Humangenoms und der Genome vieler anderer Organismen dar. Genetische Methoden erwiesen sich bei der Ursachenforschung von Krankheiten als außerordentlich erfolgreich, wie die Aufklärung mehrerer tausend monogen erblicher Erkrankungen eindrucksvoll zeigt. Gentechnische Methoden erlauben die Herstellung von Pharmaka, die so vorher gar nicht synthetisiert werden konnten oder aufwändig aus biologischem Material gewonnen werden mussten, und sie eröffnen nie dagewesene Möglichkeiten bei der Herstellung von Impfstoffen. Man hat begonnen, die molekularen Ursachen von genetisch komplexen Krankheiten zu entschlüsseln, und ist dabei, ein Profil ursächlicher Genotypen zu erarbeiten. Dies hat, wie bereits diese wenigen Beispiele zeigen, die Humanmedizin in ihren Möglichkeiten der Grundlagenforschung, aber auch in Diagnostik und Therapie grundlegend verändert. Damit verbunden ist aber auch eine immer wiederkehrende gesellschaftlich politische Diskussion um das, was wir künftig tun können, aber auch was wir tun sollten und dürfen. Aktuelle Beispiele hierfür sind die Stammzellenforschung, die Präimplantationsdiagnostik und die teilweise zu pervertieren drohenden Konsequenzen, die sich aus den Möglichkeiten des animal cloning ergeben. Die Gesellschaft als Ganzes und in einer überstaatlichen Betrachtungsweise ist hier gefordert, bereits jetzt ethische Antworten auf zukünftige Möglichkeiten zu geben, deren Konsequenzen wir kaum oder nur ansatzweise überblicken. Umso wichtiger ist aber gerade für Studentinnen und Studenten der Medizin, möglichst früh die Grundlagen dieser modernen biologischen Entwicklung und ihre neuen Technologien kennen zu lernen. Insofern sieht sich dieser Text auch als Einführung, die, weit über die Vermittlung von Prüfungswissen hinaus, Grundlagen schaffen soll zum Verständnis von Fragen, die uns alle betreffen. In der aktuellen Auflage wurden daher, der Geschwindigkeit der Entwicklung Rechnung tragend und über den Gegenstandskatalog hinausgehend, moderne Forschungsergebnisse eingearbeitet, die unser Grundlagenwissen entscheidend vertiefen und sozusagen aus dem Labor direkt in Lehrbuchwissen eingegangen sind. Da unsere digitalisierte Welt auch unsere didaktischen Bedürfnisse beeinflusst, wurden bei der Vermittlung des Stoffes natürlich moderne Gesichtspunkte der Lernerleichterung berücksichtigt, u. a. auch durch eine neue Gliederung und die Einführung von »In Kürze-Boxen« nach jedem Kapitel. Des Weiteren wurden viele Abbildungen modernisiert und ergänzt sowie das Glossar erweitert. Neu ist auch unter www.lehrbuch-medizin.de eine eigene Webseite zum Buch.

VI

Vorwort

Beibehalten wurde die Konzeption, den Text nicht unnötig mit sowieso kaum noch überschaubarem Datenmaterial zu überfrachten, mit dem Ziel, die Balance zwischen notwendiger moderner Wissensvermittlung und Reduktion auf das Wesentliche zu halten. Ich wünsche mir, dass die elfte Auflage ähnlich gute Aufnahme findet wie die vorhergegangenen, die nun einer Generation von Medizinstudenten das biologische Grundwissen angeboten haben und weite Verbreitung fanden. Gleichzeitig erhoffen sich Autor und Verlag auch für diese Auflage Hinweise, Empfehlungen und kritische Beurteilung des Textes von studentischer Seite und von Seiten der Fachkollegen. Beide haben bisher wesentlich zur Gestaltung der Neuauflagen beigetragen. Ausdrücklich bedanken möchte ich mich für die zahlreichen freundlichen, ja teilweise herzlichen Schreiben und Emails, die ich in den vergangenen Jahren von den Benutzern erhalten habe. Herzlich danken möchte ich Herrn Prof. Dr. med. Dr. h.c. mult. Harald zur Hausen, Herrn Prof. Dr. Lutz Gissmann und Herrn Prof. Dr. Hanswalter Zentgraf sowie der Abteilung für Presse und Öffentlichkeitsarbeit des Deutschen Krebsforschungszentrums Heidelberg für ihre Unterstützung bei der Darstellung des medizinischen Durchbruchs bei humanen Papillom-Viren. Mein besonderer Dank gilt auch dem Verlag mit Frau Rose-Marie Doyon und Frau Christine Trotta im Lektorat. Ohne eine enge Zusammenarbeit mit dem Verlag wäre das vorliegende Konzept über die verschiedenen Auflagen nicht zu verwirklichen gewesen. Hervorheben möchte ich besonders die Unterstützung und Hilfe auf allen Ebenen der Manuskripterstellung sowie die Übernahme der mühevollen Schreibarbeiten durch meine Frau Sigrid Göhner-Buselmaier und mich an dieser Stelle hierfür bei ihr herzlich bedanken. Heidelberg im Sommer 2009 Werner Buselmaier

VII

Der Autor geboren 1946, studierte Biologie in Heidelberg. Nach der Promotion Tätigkeit als Wissenschaftler, Heisenberg-Stipendiat, verschiedene Wissenschaftspreise und öffentliche Ehrungen. Habilitation 1978 und 1981 Ernennung zum Universitätsprofessor für allgemeine Humangenetik und Anthropologie in Heidelberg. 2001 Berufung zum Visiting Professor für Humanbiologie und Genetik der Universität Mostar. Leitete u.a. Projekte zur Modernisierung der Medizinischen Fakultäten in der Nachkriegssituation Bosnien Herzegowinas und zur Verbesserung der medizinischen Versorgung in der Südtürkei. Er ist Autor zahlreicher wissenschaftlicher Publikationen und mehrerer bekannter Lehrbücher aus den Bereichen Biologie und Humangenetik. Werner Buselmaier

Biologie für Mediziner

Merke: Das Wichtigste auf den Punkt gebracht

Einleitung: Worum geht es in diesem Kapitel?

Inhaltliche Struktur: Klare Gliederung durch alle Kapitel

Klinik-Boxen: Biologische Grundlagen am klinischen Beispiel

Leitsystem: Schneller Überblick über die Kapitel und den Anhang. Wo finde ich was?

Über 200 Abbildungen: Veranschaulichen komplizierte und komplexe Sachverhalte

Exkurs: Interessante Zusatzinfos zu ausgewählten Themen

Navigation: Seitenzahl und Kapitelnummer für die schnelle Orientierung

Übersichten: Die wichtigsten Fakten zum schnellen Lernen

In Kürze: Das Kapitel kurz zusammengefasst zum schnellen Wiederholen

Schlüsselbegriffe: Fett hervorgehoben, was besonders wichtig ist

Verweise auf Abbildungen und Übersichten: Deutlich herausgestellt und leicht zu finden

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XI

Inhaltsverzeichnis I

Allgemeine Zellbiologie, Zellteilung und Zelltod

1

Zellbegriff und Zelltypen . . . . . . . .

3

1.1 1.2 1.2.1 1.2.2 1.3

Die Zelle . . . . . . . . . . . Zelltypen . . . . . . . . . . . Protozyten . . . . . . . . . . Euzyten . . . . . . . . . . . . Endosymbiontentheorie .

3 3 3 3 6

2

Zelluläre Strukturelemente . . . . . . .

9

Plasmamembran . . . . . . . . . . . . . . . Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Biosynthese von Membranbestandteilen Stofftransport durch die Zellmembran . Glykokalix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zellverbindungen . . . . . . . . . . . . . . Zellkern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kerngestalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kernanzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kernbestandteile . . . . . . . . . . . . . . . Transkription und Replikation im Lichtmikroskop . . . . . . . . . . . . . . Zytoplasma und Zytosol . . . . . . . . . . 2.3 2.4 Ribosomen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.2 Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5 Endoplasmatisches Retikulum . . . . . . 2.5.1 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.2 Formen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6 Golgi-Apparat . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.1 Cis-trans-Golgi-Netzwerk . . . . . . . . . . 2.6.2 Membranvermittelte Transportvorgänge 2.7 Lysosomen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.1 Intrazelluläre Verdauung . . . . . . . . . . 2.8 Peroxisomen . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.9 Mitochondrien . . . . . . . . . . . . . . . . 2.9.1 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.10 Zytoskelett . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.10.1 Mikrotubuli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.10.2 Intermediärfilamente . . . . . . . . . . . . 2.10.3 Aktinfilamentsystem . . . . . . . . . . . . .

9 9 10 12 13 16 17 19 19 20 20

2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.1.5 2.1.6 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

24 25 26 26 27 27 28 28 30 30 32 36 36 38 39 39 42 42 44 45

3

Zellkommunikation und Signaltransduktion . . . . . . . . . . . .

52

3.1 3.1.1 3.1.2 3.2 3.2.1 3.2.2 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3

Allgemeine Prinzipien . . . . . . . . Formen der Signalübertragung . . . Signalverstärkung . . . . . . . . . . . Signalmoleküle . . . . . . . . . . . . Hormone . . . . . . . . . . . . . . . . . Stickstoffmonoxid . . . . . . . . . . . Signalrezeptoren . . . . . . . . . . . Ionenkanalgekoppelte Rezeptoren G-Proteingekoppelte Rezeptoren . . Enzymgekoppelte Rezeptoren . . .

52 52 52 53 53 53 54 54 55 55

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

4

Zellzyklus und Zellteilung . . . . . . .

57

4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5 4.2.6 4.2.7 4.2.8 4.2.9 4.3

Intermitosezyklus . . . . . . . . . . . G1-Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . S-Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . G2-Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . G0-Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . Kontrollmechanismen im Zellzyklus Mitose und ihre Stadien . . . . . . . Prophase . . . . . . . . . . . . . . . . . Prometaphase . . . . . . . . . . . . . . Metaphase . . . . . . . . . . . . . . . . Anaphase . . . . . . . . . . . . . . . . . Telophase . . . . . . . . . . . . . . . . Zytokinese . . . . . . . . . . . . . . . . Mitoseindex . . . . . . . . . . . . . . . Chromosomenanalyse . . . . . . . . Zytostatika . . . . . . . . . . . . . . . . Amitotische Veränderung des Chromosomensatzes . . . . . . . . . Endomitose . . . . . . . . . . . . . . . Zellfusion . . . . . . . . . . . . . . . . . Amitose . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regeneration und funktionelle Veränderungen . . . . . . . . . . . . . Vermehrung von Stammzellen . . . Adaption von Zellen . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

57 57 58 58 58 59 61 61 61 62 63 64 64 64 64 66

. . . .

. . . .

. . . .

66 66 66 66

. . . . . . . . .

67 67 68

5

Meiose (Keimzellbildung) . . . . . . . .

70

5.1 5.2 5.2.1

Entwicklung der Geschlechtszellen . . Ablauf der Meiose . . . . . . . . . . . . . . S-Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

70 70 70

4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.4 4.4.1 4.4.2

XII

Inhaltsverzeichnis

5.2.2 5.2.3 5.3

Verlauf der 1. Reifeteilung . . . . Verlauf der 2. Reifeteilung . . . . Funktion und Fehlfunktionen der Reifeteilung . . . . . . . . . . Verteilung des Erbguts . . . . . . Chromosomenfehlverteilungen Spermato- und Oogenese . . . . Entwicklung des Spermiums . . . Entwicklung der Oozyte . . . . .

. . . . . . . . . .

71 73

. . . . . .

. . . . . .

73 73 75 75 75 76

6

Zelltod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

80

6.1 6.2

Apoptose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nekrose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

80 81

5.3.1 5.3.2 5.4 5.4.1 5.4.2

II

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

7.7.3 7.7.4 7.7.5 7.7.6 7.7.7 7.8 7.8.1 7.8.2 7.9 7.9.1 7.9.2 7.10 7.10.1 7.10.2

Grundlagen der Humangenetik

7.10.3

7 7.1 7.1.1 7.1.2 7.2 7.2.1 7.2.2 7.3 7.3.1 7.3.2 7.3.3 7.3.4 7.4 7.4.1 7.4.2 7.5 7.5.1 7.5.2 7.5.3 7.6 7.6.1 7.6.2 7.6.3 7.6.4 7.6.5 7.6.6 7.7 7.7.1 7.7.2

Organisation und Funktion eukaryotischer Gene . . . . . . . . . . .

85

Träger der Erbinformation . . . . . . . . 85 Experimenteller Beweis . . . . . . . . . . . 85 RNA als Träger genetischer Information . 86 Aufbau der DNA . . . . . . . . . . . . . . . 86 Bestandteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Strukturmodell der DNA . . . . . . . . . . 88 Replikation der DNA . . . . . . . . . . . . 89 Aufspreizung der Doppelhelix . . . . . . 89 Replikation mittels Polymerasen . . . . . 91 Reparatur durch Polymerase . . . . . . . . 91 Übertragung des Erbguts . . . . . . . . . 93 DNA-Reparatur . . . . . . . . . . . . . . . . 93 Folgen von Replikationsfehlern . . . . . . 93 DNA-Reparaturmechanismen . . . . . . . 93 Genetischer Code . . . . . . . . . . . . . . 95 Triplett-Raster-Code . . . . . . . . . . . . . 95 Degeneration des Codes . . . . . . . . . . 95 Stopp- und Startcodons . . . . . . . . . . 96 Aufbau und Definition von Genen . . . 96 Aufbau von eukaryotischen Genen . . . 96 Gendefinition . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Kontrollelemente menschlicher Gene . . 98 Pseudogene . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Single copy-Sequenzen . . . . . . . . . . . 99 Repetitive DNA-Sequenzen . . . . . . . . 99 Transkription der DNA . . . . . . . . . . . 100 Bildung von Messenger-RNA (mRNA) . . 100 Prinzip der Transkription . . . . . . . . . . 100

7.10.4 7.11 7.12 7.12.1 7.12.2 7.12.3 7.12.4 7.12.5

Regulation der Transkription . . . . . . . . Processing und Splicing der RNA . . . . . Transfer-RNA (tRNA) . . . . . . . . . . . . . Ribosomale RNA (rRNA) . . . . . . . . . . . Hemmung der Transkription . . . . . . . . Genregulation, differenzielle Genaktivität . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regulation der Genexpression . . . . . . Differenzielle Genaktivität . . . . . . . . . Translation . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ablauf der Translation . . . . . . . . . . . . Hemmung der Translation . . . . . . . . . Kartierung und Klonierung von Genen Physikalische Kartierung nach klassischem Ansatz . . . . . . . . . . Hochauflösende physikalische Kartierungsmethoden . . . . . . . . . . . . Genetische Kartierung – Kopplungsanalysen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Klonierungsverfahren . . . . . . . . . . . . Genfamilien . . . . . . . . . . . . . . . . . . Der allgemeine Aufbau des menschlichen Genoms . . . . . . . . Das Kerngenom . . . . . . . . . . . . . . . . Mitochondriale Gene . . . . . . . . . . . . Codierende DNA . . . . . . . . . . . . . . . Nichtcodierende DNA . . . . . . . . . . . . Verstreute repetitive DNA . . . . . . . . .

101 103 105 107 108 108 108 108 110 111 113 114 114 116 118 120 122 123 124 129 129 131 132

8

Chromosomen des Menschen . . . . . 139

8.1

Historische Entwicklung der Chromosomenanalyse . . . . . . . . . . Darstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . Präparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . Darstellungsmethoden . . . . . . . . . . Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . Beschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . Einteilung in Gruppen . . . . . . . . . . . Feineinteilung nach Regionen . . . . . . Strukturelle Varianten . . . . . . . . . . Heteromorphismus . . . . . . . . . . . . Fragile Stellen . . . . . . . . . . . . . . . . Evolutionäre Chromosomenveränderungen . . . . . . . . . . . . . . . Verminderung der Chromosomenzahl

8.2 8.2.1 8.2.2 8.2.3 8.3 8.3.1 8.3.2 8.4 8.4.1 8.4.2 8.5 8.5.1

. . . . . . . . . . .

139 140 140 140 145 145 147 149 149 149 150

. 151 . 151

XIII Inhaltsverzeichnis

9

Formale Genetik . . . . . . . . . . . . . . 154

9.1 9.2 9.2.1

Begriffe und Symbole . . . . . . . . . . . Mendelsche Gesetze . . . . . . . . . . . . 1. Mendelsches Gesetz (Uniformitätsgesetz) . . . . . . . . . . . . . 2. Mendelsches Gesetz (Spaltungsgesetz) . . . . . . . . . . . . . . 3. Mendelsches Gesetz (Unabhängigkeitsregel) . . . . . . . . . . . Kodominanter Erbgang . . . . . . . . . . Autosomal-dominanter Erbgang . . . . Abgrenzung der Erbgänge . . . . . . . . . Merkmale des autosomal-dominanten Erbgangs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Autosomal-rezessiver Erbgang . . . . . Merkmale des autosomal-rezessiven Erbgangs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erbliche Stoffwechselstörungen . . . . . X-chromosomaler Erbgang . . . . . . . . Der X-chromosomal-rezessive Erbgang Der X-chromosomal-dominante Erbgang Genomische Prägung . . . . . . . . . . . . Auswirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . Mitochondriale Vererbung . . . . . . . . Multifaktorielle Vererbung . . . . . . . . Wirkung von Genen und Umwelt . . . . . Multifaktoriell vererbte Merkmale . . . . Erbprognose multifaktorieller Erkrankungen . . . . . . . . . . . . . . . . .

9.2.2 9.2.3 9.3 9.4 9.4.1 9.4.2 9.5 9.5.1 9.5.2 9.6 9.6.1 9.6.2 9.7 9.7.1 9.8 9.9 9.9.1 9.9.2 9.9.3

10

11.1.4 11.2 11.2.1 11.3 11.3.1 11.3.2 11.3.3 11.3.4 11.3.5 11.4 11.4.1 11.4.2 11.5

Spontane Mutationsraten . . . . . . . . . Strukturelle Chromosomenmutationen Formen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Numerische Chromosomenmutationen Ursachen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Auswirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . Fehlverteilung von Gonosomen . . . . . Ullrich-Turner-Syndrom . . . . . . . . . . . Fehlverteilung von Autosomen . . . . . . Mosaike und Chimären . . . . . . . . . . Mitotisches Non-disjunction . . . . . . . . Chimären . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mutationen in Somazellen . . . . . . . .

12

Methoden und medizinische Bedeutung der Gentechnologie . . . 209

164 165 166 167 170 171 171 172 173 173 174

12.1 12.1.1 12.1.2 12.1.3 12.1.4 12.1.5 12.2 12.2.1

175

12.3.1 12.3.2 12.3.3 12.4

12.4.6

Gentechnologische Methoden . . . . . Gewinnung von DNA-Sequenzen . . . . Rekombinante DNA . . . . . . . . . . . . . Klonierungsvektoren . . . . . . . . . . . . Einbau der Vektoren . . . . . . . . . . . . . Selektion spezifischer DNA . . . . . . . . . Polymerasekettenreaktion (PCR) . . . . Die Standard-PCR-Methode zur In-vitro-Klonierung . . . . . . . . . . . Bedeutung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Direkter und indirekter Nachweis von Genmutationen . . . . . . . . . . . . Direkte Genotypendiagnostik . . . . . . . Indirekte Genotypendiagnostik . . . . . . . Diagnostik über PCR . . . . . . . . . . . . . Genetische Beratung und vorgeburtliche Diagnostik . . . . . . . . Häufigkeit genetischer Erkrankungen . . Genetische Familienberatung . . . . . . . Ursachen genetisch bedingter Erkrankungen . . . . . . . . . . . . . . . . . Praktisches Vorgehen bei einer genetischen Beratung . . . . . . . . . . . . Psychosoziale und ethische Aspekte der genetischen Beratung . . . . . . . . . Pränataldiagnostik . . . . . . . . . . . . . .

154 155 155 156 156 157 157 157 158 164

Gonosomen . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

10.1 Testikuläre Differenzierung . . . . . . 10.1.1 Lokalisation der geschlechtsdifferenzierenden Gene . . . . . . . . . 10.1.2 Störungen der testikulären Differenzierung . . . . . . . . . . . . . . 10.2 X-Inaktivierung . . . . . . . . . . . . . . 10.2.1 Geschlechtschromatin . . . . . . . . . . 10.2.2 Steuerung der X-Inaktivierung . . . . 10.2.3 Inhomogenität der X-Inaktivierung . 10.3 Geschlechtsdifferenzierung . . . . . 10.3.1 Embryonale Geschlechtsentwicklung

. . 176 . . 176 . . . . . . .

. . . . . . .

177 177 177 178 179 179 179

12.2.2 12.3

12.4.1 12.4.2 12.4.3 12.4.4 12.4.5

187 188 188 195 195 197 198 198 202 206 206 206 207

209 209 211 212 212 213 216 216 217 218 218 219 220 221 221 221 222 223 223 225

11

Mutationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182

13

Entwicklungsgenetik . . . . . . . . . . . 230

11.1 11.1.1 11.1.2 11.1.3

Genmutationen und ihre Folgen Formen . . . . . . . . . . . . . . . . . Spontane Genmutationen . . . . . Induzierte Genmutationen . . . . .

13.1 13.1.1 13.1.2 13.2

Methoden . . . . . . . . . . . Transgene Tiere . . . . . . . . Knock-Out-Modelle . . . . . Anwendung am Menschen

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

182 182 185 187

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

230 230 230 232

XIV

Inhaltsverzeichnis

14

Populationsgenetik . . . . . . . . . . . . 234

14.1 Hardy-Weinberg-Gesetz . . . . . . . . . . 14.1.1 Beispielsrechnung einer künstlichen Population . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.1.2 Berechnung bei natürlicher Population . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.2 Selektion und Zufall . . . . . . . . . . . . . 14.2.1 Bedeutung der Selektion . . . . . . . . . . 14.2.2 Selektionsvorteile bei Blutgruppenvarianten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.3 Genomanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . 14.3.1 Möglichkeiten des Screenings . . . . . . . 14.3.2 Gefahr der Diskriminierung . . . . . . . . 14.4 Genetische Polymorphismen . . . . . . . . 14.4.1 Bekannte Beispiele . . . . . . . . . . . . . . 14.4.2 Medizinische und biologische Bedeutung . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

III

234 234 236 237 237 238 238 238 239 239 240

15

Grundformen der Bakterien . . . . . . 247

15.1 15.2 15.3 15.4 15.5 15.6

Kokken . . . . . Stäbchen . . . . Vibrionen . . . Spirochäten . . Mykoplasmen Chlamydien . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

247 247 249 249 249 249

16

Aufbau der Bakterienzelle (Protozyte) 251

16.1 16.2 16.2.1 16.2.2 16.2.3 16.3 16.3.1 16.3.2 16.4 16.5 16.6 16.6.1 16.6.2

Unterschiede zur Euzyte . . . . . . . . . Zellwand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anfärbung . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bakteriostatische Substanzen . . . . . . Geißeln und Pili . . . . . . . . . . . . . . Geißeln (Flagellen) . . . . . . . . . . . . . Pili (Fimbrien) . . . . . . . . . . . . . . . . Kapseln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zellmembran (Zytoplasmamembran) Ribosomen . . . . . . . . . . . . . . . . . Unterschiede zur Euzyte . . . . . . . . . Wechselwirkungen mit Antibiotika . .

. . . . . . . . . . . . .

Nukleoid, Bakterienchromosom und Plasmide . . . . . . . . . . . . . 16.7.1 Nukleoid (Kernäquivalent) . . . . . 16.7.2 Bakterienchromosom . . . . . . . . 16.7.3 Plasmide . . . . . . . . . . . . . . . . 16.8 Sporen . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

257 257 257 257 258

17

Wachstum einer Bakterienkultur . . . 260

17.1 17.1.1 17.1.2 17.1.3 17.2 17.2.1 17.2.2 17.2.3

Bakterienkultur . . . . . . . . . . . . . . Kulturmedien . . . . . . . . . . . . . . . Besondere Kulturvoraussetzungen . . Kultivierungstemperatur . . . . . . . . Bakterienwachstum . . . . . . . . . . . Generationszeit . . . . . . . . . . . . . . Isolierung und Anzucht . . . . . . . . . Wachstumsphasen und Vermehrung

18

Bakteriengenetik . . . . . . . . . . . . . . 265

. . . . . . . .

. . . . . . . .

260 260 260 261 261 261 261 262

240

Gundlagen der Mikrobiologie und Ökologie

. . . . . .

16.7

251 252 252 252 253 254 254 255 255 255 256 256 256

18.1 Genregulation . . . . . . . . . . . . . . . 18.1.1 Unterschiede zwischen Pro- und Eukaryoten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.1.2 Negative Regulation der Transkription: Jacob-Monod-Modell . . . . . . . . . . . 18.2 Übertragung von Genmaterial und Antibiotikaresistenz . . . . . . . . 18.2.1 Konjugation . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2.2 Transduktion . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2.3 Transformation . . . . . . . . . . . . . . .

. 265 . 265 . 265 . . . .

267 268 272 274

19

Pilze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275

19.1 19.2 19.3 19.4

Lebensweise . . . . . . . . . . . Wachstumsformen . . . . . . . Vermehrung und Verbreitung Stoffsynthese durch Pilze . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

276 276 276 277

20

Viren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279

20.1

Virusbegriff, Aufbau und Klassifikation. . . . . . . . . . . . . . . . Virusbegriff . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Klassifikation . . . . . . . . . . . . . . . . Virusvermehrung . . . . . . . . . . . . Vermehrung in Bakterien . . . . . . . . Vermehrung in höheren Organismen Vermehrung karzinogener Viren . . .

20.1.1 20.1.2 20.1.3 20.2 20.2.1 20.2.2 20.2.3

. . . . . . . .

. . . . . . . .

279 279 280 280 283 283 284 285

XV Inhaltsverzeichnis

20.3

20.4.1 20.4.2

Diagnose und Therapie von Viruserkrankungen . . . . . . . . . Diagnose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Therapie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Viren als Vektoren zur Übertragung von Genmaterial – Somatische Gentherapie . . . . . . . . . . . . . . . . . Genübertragung in den Zellkern . . . . Genübertragung in die Chromosomen

21

Prionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292

22

Relevante Grundzüge der Ökologie

22.1

Funktionale Bestandteile eines Ökosystems . . . . . . . . . . . . Gliederung eines Ökosystems . . . . . Nahrungsketten und Nahrungsnetze Energiefluss und Stoffkreisläufe . . Energiefluss . . . . . . . . . . . . . . . . Stoffkreisläufe . . . . . . . . . . . . . . . Bedeutung bakterieller Umsetzungsprozesse am Beispiel von Gewässern Regulation der Populationsgröße . Populationsgröße . . . . . . . . . . . .

20.3.1 20.3.2 20.4

22.1.1 22.1.2 22.2 22.2.1 22.2.2 22.2.3 22.3 22.3.1

. . . . . .

. 288 . 288 . 289

. 289 . 289 . 290

294 . . . . . .

294 294 295 295 295 297

22.3.2 22.3.3 22.3.4 22.3.5 22.3.6 22.3.7 22.3.8 22.3.9 22.4 22.4.1 22.4.2 22.4.3 22.4.4

IV

Verteilung einer Population . . . . Altersstrukturen . . . . . . . . . . . . Populationswachstum . . . . . . . . Regulation der Populationsdichte Populationsdynamik . . . . . . . . . Volterrasche Gesetze . . . . . . . . Massenwechsel . . . . . . . . . . . . r- und K-Strategen . . . . . . . . . . Wechselbeziehungen zwischen verschiedenen Arten . . . . . . . . Konkurrenz . . . . . . . . . . . . . . Symbiose . . . . . . . . . . . . . . . . Kommensalismus . . . . . . . . . . . Episitismus und Parasitismus . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

299 300 301 301 302 303 304 304

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

304 305 305 305 305

Anhang

Glossar der verwendeten Fachausdrücke . . 309 . . 297 . . 298 . . 299

Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337

I

Allgemeine Zellbiologie, Zellteilung und Zelltod 1

Zellbegriff und Zelltypen – 3

2

Zelluläre Strukturelemente – 9

3

Zellkommunikation und Signaltransduktion – 52

4

Zellzyklus und Zellteilung – 57

5

Meiose (Keimzellbildung) – 70

6

Zelltod

– 80

3

1

1 Zellbegriff und Zelltypen > > Einleitung Was ist Leben? Wohl kaum eine Frage bewegte den Menschen zu allen Zeiten mehr als die Erklärung dieses Phänomens, die Ursache seines eigentlichen Seins. Trotz einer Fülle biologischer Erkenntnisse, die von Aristoteles ihren Ausgang nahmen und die gegenwärtig lawinenartig anschwellen, gelingt es uns jedoch auch heute nicht, »Leben« exakt zu definieren. Man könnte sogar das Phänomen »Leben« einfach dadurch definieren, dass es sich jeder umfassenden Definition entzieht und möglicherweise immer entziehen wird. Wenn es auch nicht möglich ist, Leben wissenschaftlich exakt zu beschreiben, so können wir doch das Leben an seinen Funktionen erkennen: am Stoffwechsel, am Wachstum, an der Bewegung, an der Vermehrung und an der Vererbung. All diese Funktionen des Lebens existieren jedoch nicht frei im Raum oder frei in der Materie, sondern sie sind an Organismen gebunden. Die außerordentliche Mannigfaltigkeit aller Organismen ist das Ergebnis einer differenzierten Anordnung von im Grundbauplan einheitlichen Bauelementen, die als die kleinsten funktionsfähigen Einheiten des Lebens angesehen werden können, nämlich von Zellen.

1.1

Die Zelle

Das Erkennen der Zelle als kleinste strukturelle Einheit eines Organismus reifte in den Jahren zwischen 1830 und 1840 durch die Arbeiten von Johann Evangelista Purkinje (1787–1869), Robert Brown (1773– 1858), Matthias Jakob Schleiden (1805–1881) und Theodor Schwann (1810–1882), die als die Begründer der Zelltheorie angesehen werden können. Jedoch erst im Jahre 1855 verhalf Rudolf Virchow (1821–1902) mit seinem berühmten Satz »omnis cellula e cellula« (jede Zelle entsteht aus einer Zelle) der Erkenntnis zum Durchbruch, dass die Zelle auch die kleinste Einheit der Vermehrung darstellt. Durch die Ergebnisse der modernen Molekularbiologie gelingt es uns heute mehr und mehr, bestimmten Lebensfunktionen definierte Zellstrukturen zuzuordnen. So kann man heute die Zelle als kleinste

Einheit der Struktur, der Vermehrung und der Funktion ansehen. Die Zelle ist die universelle Grundform der biologischen Organisation, die elementare Einheit, an der sich alle Grundfunktionen des Lebens nachweisen lassen. Sie kann einzeln als eigenständiger Organismus auftreten aber auch zusammen mit weiteren Zellen ein höheres Lebewesen aufbauen.

1.2

Zelltypen

! In der belebten Natur kann man zwei grundsätzlich verschiedene Zelltypen nach ihren Organisationsformen voneinander unterscheiden, zwischen denen bisher bei gegenwärtig lebenden Organismen keine Übergänge gefunden werden konnten: die Protozyte und die Euzyte. Protozyten finden wir bei Bakterien, Archaeen und Blaualgen, die als Prokaryoten zusammengefasst werden. Die Zellen dieser Organismen sind wesentlich kleiner und einfacher gebaut als die Zellen aller übrigen Organismen, der Eukaryoten.

Dieses Kapitel befasst sich mit der Zellorganisation der Eukaryoten. Die Protozyte und ihre morphologischen Besonderheiten werden später beschrieben. Die Hauptunterschiede zwischen den beiden Organisationsformen sollte man sich jedoch bereits einprägen (. Übersicht 1.1).

1.2.1 Protozyten Die detaillierte Besprechung prokaryotischer Zellen folgt in 7 Grundlagen der Mikrobiologie und Ökologie.

1.2.2 Euzyten Form- und Größenunterschiede

Die meisten Zellen sind mit bloßem Auge nicht sichtbar, sie sind mikroskopisch klein. Bei Tieren liegt die mittlere Zellmasse gewöhnlich in der Größenordnung von ca. 2 ng (2×10-12 kg). Einige Zellen

4

1

Kapitel 1 · Zellbegriff und Zelltypen

. Übersicht 1.1. Die wichtigsten Unterschiede zwischen Pro- und Eukaryoten

Zelltyp

Prokaryoten Protozyte

Kern

Kernäquivalent (Nukleoid) ohne Membran

Zellkern mit Zellmembran

1 »Chromosom«

Mehr als ein Chromosom

Geringe Kompartimentierung in Reaktionsräume, kein endoplasmatisches Retikulum

Komplizierte Kompartimentierung durch endoplasmatisches Retikulum

Keine Zellorganellen

Charakteristische Zellorganellen wie Mitochondrien, Diktyosomen

1–30

103–105

Zytoplasma

Volumen [μm3]

erreichen jedoch auch eine beachtliche Größe, wie z. B. Vogeleier, insbesondere Straußeneier. Auch bezüglich der Zellform finden wir beachtliche Unterschiede. Die Zelle, die wir in den folgenden Abschnitten zytologisch studieren, ist folglich eine »Idealzelle« (. Abb. 1.1), die je nach ihrer Aufgabe vielfältig abgewandelt sein kann. Bevor wir sie näher betrachten, sollten wir uns jedoch zum besseren Verständnis der Idealzelle die mannigfache Variabilität realer Zellen vergegenwärtigen. Ursache hierfür sind die verschiedenen Funktionsaufgaben der Zellen, die ihrerseits durch Art- oder Gewebeunterschiede bedingt sind. Dabei spielen zwei Relationen eine besondere Rolle: Kern-Plasma-Relation. Betrachten wir als Erstes die enormen Größenunterschiede von Zellen. Jede Art besitzt eine charakteristische Zahl an Chromosomen, die zusammen mit der Menge des Karyoplasmas die Größe des Zellkerns bestimmt. Zwischen dem Volumen des Kerns und dem des Zytoplasmas besteht ein festes Verhältnis, die Kern-Plasma-Relation, die nur begrenzt variabel ist. Dies wird sofort verständlich, wenn man sich klarmacht, dass der Kern viele Steuerungsaufgaben der Zelle übernimmt. Wird das Zytoplasmavolumen im Verhältnis zum Kernvolumen zu groß, kann der Kern nicht mehr die gesamte Zelle kontrollieren. Oberfläche-Volumen-Relation. Da die Zelle alle Stoffe über ihre Oberfläche aufnimmt und abgibt, ist auch das Verhältnis von Zelloberfläche zu Zellvolumen sehr wichtig. Eine stoffwechselaktive Zelle ist meist nicht sehr groß, da bei kleinen Körpern das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen günstiger ist als bei großen. Soll eine Zelle sowohl

Eukaryoten Euzyte

. Übersicht 1.2. Faktoren, die Unterschiede in Größe, Form und Funktion von Zellen bestimmen Allgemeine Artunterschiede Artunterschiede in der Zahl der Chromosomen Gewebsunterschiede Kern-Plasma-Relation Verhältnis von Zelloberfläche zu Zellvolumen

groß, als auch stoffwechselaktiv sein, so ist dies nur unter zusätzlicher Vergrößerung der Oberfläche möglich (Bildung von Falten oder Ausbuchtungen). Es zeigt sich also, dass die typischen Formen eukaryotischer Zellen aufgrund der eben genannten Relationen und der Funktion der Zellen entstehen (. Übersicht 1.2). Beispiele. Je nach Typ der Embryonalentwicklung und damit von Art zu Art sind Eizellen sehr verschieden groß. Menschliche Eizellen (Oozyten) besitzen z. B. eine Größe von ca. 150 μm (150×10-6 m). Bei großen Eizellen (z. B. Vogeleier) ist der Zellkern funktionell vergrößert und in seiner Größe mit Kernen anderer Zellen der gleichen Tierart nicht mehr vergleichbar. Einen anderen durch Differenzierung spezialisierten Zelltyp finden wir bei den Muskelzellen. Glatte Muskelzellen sind 0,05–0,2 mm lange spindelförmige Gebilde. Dagegen sind die quer gestreiften Muskelfasern wesentlich größer, nämlich mehrere Zentimeter lang. Letztere entstehen durch Verschmelzung mehrerer Zellen und sind folglich vielkernig, was aufgrund ihrer Größe auch notwen-

5 1.2 · Zelltypen

1

. Abb. 1.1. Zellübersicht

dig ist. Während glatte Muskelzellen mehr für langsame Kontraktionen geeignet sind, kontrahieren quer gestreifte Muskeln schnell und eignen sich daher für Bewegungsvorgänge. Man findet sie also vor allem in der Skelett- und Herzmuskulatur. Eine starke Abweichung von der normalen Zellform weisen die kernlosen Erythrozyten auf. Sie haben eine Größe von ca. 7,5 μm (1/20 der menschlichen Eizelle) und sind bikonkav geformt (. Übersicht 1.3). Hepatozyten sind dagegen polyedrisch, ihr Durchmesser ändert sich mit dem tageszeitlichen Funktionswechsel (ca. 20–30 μm). Sie sind sehr reich an Organellen, enthalten meist 2, zuweilen sogar 4–8 Kerne und gehören zu den vielseitigsten Zellen des Organismus.

Eine extreme Spezialisierung der Form in Abhängigkeit von der Funktion zeigen auch die Nervenzellen, wie beispielsweise die motorischen Vorderhornzellen (α- und γ-Motoneurone). Diese treten aus dem Vorderhorn der grauen Substanz des Rückenmarks aus und ihre Fortsätze innervieren Gruppen von Arbeitsmuskelfasern bzw. Muskelspindeln. Nervenzellen können über 1 m lang werden, wie beispielsweise die Nerven zur Fußsohle (. Übersicht 1.4). Ähnlich hoch spezialisiert sind die stark verästelten Knochenzellen oder die in ihrem Bau speziell auf ihre Funktion abgestimmten Drüsenzellen (. Abb. 1.2).

6

1

Kapitel 1 · Zellbegriff und Zelltypen

. Übersicht 1.3. Dimension atomarer, molekularer und zellulärer Strukturen. (Nach Czihak, Langer, Ziegler (1989) Biologie. Springer, Berlin Heidelberg New York)

. Übersicht 1.4. Zellgrößenvergleiche menschlicher Zellen

Zelle

Größe

Erythrozyt

7,5 μm

Hepatozyt

20–30 μm

Eizelle

150 μm

Glatte Muskelzelle

0,05–0,2 mm

Quergestreifte Muskelfaser

Bis zu mehreren cm

Nervenzelle

Bis über 1 m

Zellzahl des Menschen

Für unser Vorstellungsvermögen kaum fassbar ist die Gesamtzahl der Zellen eines erwachsenen menschlichen Körpers. Wir besitzen etwa 6×1013 Zel-

len, davon sind 3,5×1013 Gewebszellen. Nur 1 mm3 Blut enthält rund 6000 Leukozyten und 5×106 Erythrozyten. Der Gesamterythrozytenbestand beträgt etwa 2,5×1013 Zellen. Pro Sekunde werden etwa 2,5×106 Erythrozyten neu gebildet bzw. gehen zu Grunde.

1.3

Endosymbiontentheorie

Die ältesten gesicherten Funde von Eukaryoten werden auf ca. 1 Mrd. Jahre datiert und stammen aus Australien. Wie bereits erwähnt gibt es keine belegten Übergangsformen von der Protozyte zur Euzyte. Man nimmt jedoch an, dass Mitochondrien (7 Kap. 2.9) und Chloroplasten (pflanzliche Orga-

7 1.3 · Endosymbiontentheorie

1

. Abb.1.2. Beispiele verschiedener Zellformen in Abhängigkeit von der Funktion (Zellgrößen sind nicht maßstabsgetreu gezeichnet). 1 Nervenzelle. 2 Verschiedene Drüsenzellen: a die gesamte Zelle wird mit ihrem Sekret aus dem Verband ausgestoßen, b Sekretbildung nach Art der Exozytose, c der

mit Sekret gefüllte apikale Zellabschnitt wird abgeschnürt. 3 Kernlose Erythrozyten, einer zur Verdeutlichung der bikonkaven Form angeschnitten. 4 Knochenzellen. 5 Glatte Muskelzellen. 6 Quergestreifte Muskulatur mit mehreren Zellkernen

nellen, die mittels Photosynthese die Energie des Sonnenlichts zur Zuckersynthese nutzen) einst eigenständige Prokaryoten waren. Diese wurden vermutlich von voreukaryotischen Urzellen durch Endozytose aufgenommen und lebten unter Aufgabe ihrer Autonomie als Symbionten in der Zelle. Die jeweilige Wirtszelle trug durch Mitose und Meiose zu ihrer Vermehrung bei. Der Symbiont belieferte die Zelle mit Energie (Zellatmung bzw. Photosynthese). Nach dieser Theorie stammen die Mitochondrien von bakterienähnlichen, aerob lebenden Organismen ab, während sich die Chloroplasten auf photoautotrophe Zyanobakterien zurückführen lassen. Die Endosymbiontentheorie (. Abb. 1.3) stützt sich auf folgende Merkmale:

4 Mitochondrien und Chloroplasten sind von zwei Membranen umgeben, wobei die äußere euzytisch und die innere protozytisch ist (Entstehung durch Endozytose). 4 Beide enthalten wie alle Prokaryoten ringförmige DNA-Moleküle ohne Histone. 4 Die Ribosomen (7 Kap. 2.4) von Mitochondrien und Chloroplasten bestehen aus einer 30S- und einer 50S-Untereinheit (entsprechend den 70SRibosomen der Prokaryoten). 4 Die Proteinsynthese dieser Ribosomen ist durch Antibiotika spezifisch hemmbar. 4 Mitochondrien und Chloroplasten sind zur Zweiteilung fähig und vermehren sich unabhängig vom Zellzyklus.

8

Kapitel 1 · Zellbegriff und Zelltypen

In Kürze

1

4 Die Zelle ist die universelle Grundform der biologischen Organisation, die kleinste Einheit der Struktur, der Vermehrung und der Funktion. 4 Es existieren grundsätzlich zwei verschiedene Zelltypen, die Protozyte (bei Prokaryoten = Bakterien, Archaeen und Blaualgen) und die Euzyte (bei Eukaryoten = alle übrigen höheren Organismen). 4 Die Form und Größe einer Zelle wird von ihrer Funktion bestimmt, wobei die Kern-Plasma- und die Oberfläche-Volumen-Relation das Aussehen typischer Zellformen bedingen. 4 Die Euzyte ist durch Endosymbiose mit eigenständigen Protozyten entstanden, die sich zu Mitochondrien und Chloroplasten entwickelten. 4 Ein erwachsener Mensch besitzt etwa 6×1013 Zellen.

. Abb. 1.3. Endosymbiontentheorie: Entwicklung von eukaryotischen Zellen aus einer Urzelle

9

2

2 Zelluläre Strukturelemente Plasmamembran

> > Einleitung

2.1

Die gesamte lebende Substanz einer Zelle wird als Protoplasma (. Übersicht 2.1) bezeichnet. Sie ist umgeben von der Zell- oder Plasmamembran. Das Protoplasma wiederum gliedert sich in das Zytoplasma (Plasma der Zelle ohne das Kernplasma) und das Karyooder Nukleoplasma (Kernplasma). Das Zytoplasma besteht aus Zytosol mit dem Zytoskelett und verschiedenen Zellorganellen wie Lysosomen, Peroxisomen, Mitochondrien, Ribosomen, dem Zellkern und Zentriolen (. Übersicht 2.2). Weiterhin nehmen Zellen durch bestimmte Oberflächenstrukturen Kontakt mit Nachbarzellen auf und zeigen häufig eine Differenzierung der Oberfläche, die im Zusammenhang mit ihrer spezifischen Funktion steht. In den nachfolgenden Kapiteln sollen diese zellulären Strukturelemente besprochen werden.

2.1.1 Funktion

. Übersicht 2.1. Durchschnittliche chemische Zusammensetzung des Protoplasmas tierischer Zellen

Protoplasmabestandteil

Anteil

Wasser

80–85%

Proteine

10–15%

DNA, RNA

1%

Lipide

2–4%

Polysaccharide

0,1–1,5%

Kleine organische Moleküle und Mineralsalze

2%

. Übersicht 2.2. Bestandteile der Eukaryotenzelle

Strukturelemente

Gewebe sind aus Tausenden von Zellen aufgebaut, die entweder dicht gepackt zusammenliegen oder durch ein Material voneinander getrennt sind, das man als extrazelluläre Matrix bezeichnet. ! Die Entwicklung der Plasmamembran war ein entscheidender Schritt bei der Entstehung der frühesten Formen des Lebens. Ohne sie ist die Existenz von Zellen unmöglich. Sie fungieren als Abgrenzung sowohl nach außen als auch nach innen. Plasmamembranen sind jedoch weit mehr als passive Barrieren, die den Zellinhalt zusammenhalten: Sie sind hochselektive Filter, die ungleiche Ionenkonzentrationen erhalten, den Eintritt von Nährstoffen erlauben und Abfallstoffe ausschleusen. Sie sind ganz allgemein für die Erhaltung von intrazellulären Milieuunterschieden verantwortlich, sorgen aber auch durch Ausbildung bestimmter Strukturen, den Rezeptoren, für interzelluläre Kommunikation. Sie geben der Zelle Individualität durch membrangebundene Strukturen (z. B. Blutgruppenantigene) und definieren damit körpereigen und körperfremd.

10 Kapitel 2 · Zelluläre Strukturelemente

2.1.2 Aufbau

2

Alle biologischen Membranen einschließlich der Plasmamembran und der zytoplasmatischen Membransysteme der Eukaryoten besitzen den gleichen Grundaufbau aus Lipid- und Proteinmolekülen: 4 Die Lipidmoleküle sind in einem bimolekularen Film angeordnet (. Abb. 2.1). 4 Die Proteinmoleküle sind in diese Lipiddoppelschicht eingelagert und steuern die verschiedenen Funktionen der Membran, wie den Stofftransport. Sie dienen den strukturellen Bindungen zwischen Zellzytoskelett und extrazellulärer Matrix. Als Enzyme katalysieren sie membrangebundene Reaktionen, als Rezep-

toren sind sie für den Erhalt und die Übertragung chemischer Signale verantwortlich. Dabei ist die Membran nicht fest durch unverrückbare Bausteine zusammengefügt. Die Lipide bilden einen flüssigen Film, in dem die Moleküle beweglich sind. Man bezeichnet daher das Membranmodell als Fluid mosaic-Modell.

Membranlipide Die drei Haupttypen von Lipiden in der Zellmembran sind: 4 Phospholipide (mengenmäßig am häufigsten), 4 Cholesterin, 4 Glykolipide.

. Abb. 2.1. Fluid mosaic-Modell der Membranstruktur. Glykoproteine und Glykolipide ragen mit ihren Kettenmolekülen als Glykokalix über die Membran hinaus

11 2.1 · Plasmamembran

a

2

b

. Abb. 2.2 a,b. Molekularer Aufbau von 2 Strukturlipiden. a Lezithin (Phospholipid), b Galaktosyllipid (Glykolipid)

Alle haben ein hydrophiles Kopf- und ein hydrophobes Schwanzende (. Abb. 2.2). Der bimolekulare Film bildet sich in wässrigem Milieu durch das Aneinanderlagern der hydrophoben Schwänze, während die hydrophilen Köpfe beiderseits nach außen ragen. In eukaryotischen Zellen ist der Anteil des Cholesterins im Verhältnis zu den Phospholipiden relativ hoch. Er beträgt beispielsweise bei menschlichen Erythrozytenmembranen ca. 30%. Im Gegensatz zu den Prokaryoten enthalten Eukaryoten zudem verschiedene Phospholipide. Die Erythrozytenmembran enthält z. B. 4 Hauptphospholipide: 4 Phosphatidylcholin (= Lezithin), 4 Sphingomyelin, 4 Phosphatidylserin, 4 Phosphatidylethanolamin. Die Lipidzusammensetzung der beiden Hälften des bimolekularen Lipidfilms ist bei allen bisher unter-

suchten Plasmamembranen sehr unterschiedlich: es herrscht eine Membranasymmetrie (. Abb. 2.3). Bei Erythrozytenmembranen haben die meisten Lipidmoleküle auf der Zellaußenseite ein Cholinende, während an der Innenseite überwiegend Phospholipide mit einer Aminogruppe zu finden sind. An der Zellaußenseite sammeln sich außerdem Lipidmoleküle, die Oligosaccharide enthalten. Diese nach außen präsentierten Zuckergruppen spielen möglicherweise eine Rolle bei interzellulären Kommunikationsprozessen.

Membranproteine Während der bimolekulare Lipidfilm das Rückgrat biologischer Membranen darstellt, werden die spezifischen Funktionen wesentlich durch die Proteine bestimmt. Der Proteingehalt ist bei verschiedenen Membranen sehr unterschiedlich. In Plasmamembranen

12 Kapitel 2 · Zelluläre Strukturelemente

2

. Abb. 2.3. Schematische Darstellung der Verteilung von Phospholipiden und Glykolipiden in der Erythrozytenmembran. Lipidmoleküle mit Cholinende,

Phospholipide mit einer Aminogruppe,

beträgt er ca. 50% der Gesamtmasse, wobei man natürlich berücksichtigen muss, dass die Proteinmoleküle viel größer als die Lipidmoleküle sind, sodass auf 1 Proteinmolekül ca. 50 Lipidmoleküle entfallen. Viele dieser Proteinmoleküle sind direkt in die bimolekulare Lipidschicht eingelagert. Ihre hydrophoben Regionen interagieren mit den hydrophoben Schwänzen der Lipidmoleküle. Dagegen sind ihre hydrophilen Regionen dem wässrigen Milieu zugekehrt. Innere oder äußere periphere Membranproteine sind nur in eine Hälfte der Lipiddoppelschicht eingebettet, während Transmembranproteine die Membran ganz durchspannen und auf beiden Seiten an wässriges Milieu grenzen (. Übersicht 2.3). Transmembranproteine lassen sich nur unter Zerstörung der Membran isolieren, periphere Membranproteine sind dagegen leichter herauszulösen. Man sollte jedoch diese eher methodische Unterscheidung nicht als molekulare Beschreibung interpretieren, da in den meisten Fällen über die wirkliche Lage wenig bekannt ist.

Glykolipide

2.1.3 Biosynthese von

Membranbestandteilen Das endoplasmatische Retikulum (7 Kap. 2.5) ist die wichtigste Produktionsstätte von neuen Membranen. Dort entstehende Membranen werden mit Hilfe von Vesikeln zu ihren Bestimmungsorten geschleust. Diese Vesikel schnüren sich als meist kugelförmige Membranstücke vom endoplasmatischen Retikulum ab und werden dann durch Membranfusion in andere Membranen eingebaut. Das glatte endoplasmatische Retikulum synthetisiert Membranlipide, das ribosomenbesetzte raue endoplasmatische Retikulum (7 Kap. 2.5) Proteine. Die an den Ribosomen synthetisierten Proteine werden je nach deren Funktion entweder ins Lumen des endoplasmatischen Retikulums abgegeben oder in seine Membran eingebaut. Der GolgiApparat (7 Kap. 2.6) erhält die Proteine und Lipide vom endoplasmatischen Retikulum und modifiziert sie. Dabei erhalten beispielsweise die Glykolipide ihre Zuckergruppen.

. Übersicht 2.3. Grundaufbau biologischer Membranen

Bestandteile

Anordnung

Funktion

Lipidmoleküle: 4 Phospholipide 4 Cholesterin 4 Glykolipide

Bimolekularer, flüssiger Film mit Membranasymmetrie ca. 6–10 nm dick

Rückgrat der Membran, Permeabilitätsschranke

Proteinmoleküle: 4 Transmembranproteine 4 Periphere Membranproteine

In Lipidschicht eingelassen

Spezifische Funktionen, z. B. Enzyme, Zellkontakt, antigene Zellrezeptoren, Transmembrantransport, Zellerkennung

13 2.1 · Plasmamembran

2

2.1.4 Stofftransport durch

die Zellmembran Die Zelle benötigt zur Aufrechterhaltung ihrer Lebensfunktionen verschiedene Stoffe von außen, d. h. diese Stoffe müssen durch die Membranen transportiert werden. Umgekehrt muss die Zelle auch in der Lage sein, Stoffe nach außen abzugeben. Dies alles geschieht nicht zufällig wie durch ein Sieb: die Zellmembran zeigt ein selektives Verhalten. Wegen seiner hydrophoben Innenseite ist der bimolekulare Lipidfilm der Membran für die meisten polaren Moleküle undurchlässig (impermeabel). Daher werden die meisten wasserlöslichen Inhaltsstoffe in der Zelle zurückgehalten. Es bedarf also spezieller Mechanismen, um polare Moleküle durch die Membran transportieren zu können. Auch Ionen müssen in beide Richtungen transportiert werden, damit intrazelluläre Ionenkonzentrationen reguliert werden können. ! Der Transport kleinerer Moleküle und Ionen ist mithilfe spezifischer membranständiger Transportproteine möglich. Aber auch Makromoleküle, wie Proteine, und sogar große Partikel können mit solchen Transmembranproteinen (. Abb. 2.4) transportiert werden. Grundsätzlich kann man beim Transmembrantransport zwischen folgenden Vorgängen unterscheiden: 4 passiver Transport durch Diffusion und Osmose, 4 aktiver Transport unter Energieverbrauch.

Diffusion Sowohl Ionen als auch Moleküle besitzen eine thermische Eigenbewegung. Deshalb stoßen Moleküle . Abb. 2.5 a–c. a,b Diffusion. c Diffusion über Transporter beschleunigt

. Abb. 2.4. Transmembranprotein

ständig aneinander, was zu einer Bewegung führt. Aufgrund dieser Bewegung wandern die Moleküle durch eine für sie durchlässige Membran hindurch von der höheren zur niedrigeren Molekülkonzentration. Somit stimmt die Transportrichtung mit der des Konzentrationsgefälles überein. Dies führt zum Konzentrationsausgleich. Die Diffusionsgeschwindigkeit ist von der Art der Moleküle, der Temperatur, dem Konzentrationsgefälle und vom Druck abhängig. Diese Transportform betrifft vor allem kleine Moleküle, z. B. Wassermoleküle. Die Diffusion kann durch Membranproteine, die als Transporter agieren, erleichtert werden (. Abb. 2.5).

Osmose Bei der Osmose erfolgt die Diffusion durch eine selektiv permeable Membran. Diese lässt nur die kleineren Moleküle des Lösungsmittels (meist Wasser), aber nicht die darin gelösten Stoffe durch. Die

14 Kapitel 2 · Zelluläre Strukturelemente

2

a

b . Abb. 2.6 a,b. Osmotische Wirkung an einer Zelle. a Die Zelle wird in ein Medium hoher Konzentration freibeweglicher Wassermoleküle gebracht. Durch Wassereinstrom kommt es zum Platzen der Zelle. Man benutzt dies u. a. zur Chromoso-

menanalyse (hypotone Behandlung). b Die Zelle wird in ein Medium niedriger Konzentration freibeweglicher Wassermoleküle verbracht. Wasserentzug führt zur Schrumpfung (hypertone Behandlung)

Osmose ist einseitig gerichtet, d. h. das Lösungsmittel bewegt sich immer in Richtung der höheren Konzentration des gelösten Stoffes, um einen Konzentrationsausgleich herbeizuführen. Ist die Konzentration an gelösten Stoffen in der Zelle höher als außerhalb, wird ein Druck auf die selektiv permeable Membran ausgeübt (osmotischer Druck). Er bewirkt, dass Wasser durch die Zellmembran in die Zelle eindringt. Die Wasseraufnahme erfolgt solange, bis die Konzentration an gelösten Stoffen innerhalb und außerhalb der Zelle gleich ist. Ist dieses Stadium erreicht, fließt genau so viel Wasser in die Zelle ein wie aus ihr austritt (. Abb. 2.6).

außerhalb und umgekehrt die Na+-Konzentration außerhalb höher als innerhalb ist. Die für den aktiven Transport notwendige Energie wird in Form von ATP bereitgestellt. Dabei wird durch den gekoppelten und entgegengesetzt gerichteten Na+- und K+-Transport Energie gespart. Ein Enzym, das ATP zu ADP und Phosphat hydrolysiert, bewerkstelligt diesen Transportmechanismus in der Membran: die Na+-K+-ATPase. Dieser Prozess findet wahrscheinlich in allen Zellen statt (. Abb. 2.7). Eine weitere ATPase transportiert Ca2+ aktiv aus eukaryotischen Zellen hinaus. Diese besitzen deswegen eine im Vergleich zur extrazellulären Konzentration sehr geringe Ca2+-Konzentration im Zytosol (7 Kap. 2.3).

Aktiver Transport Anders als bei Diffusion und Osmose muss die Zelle beim aktiven Transport Energie aufwenden. Damit können Substanzen auch gegen ein Konzentrationsgefälle, einen osmotischen Druck oder einen elektrischen Gradienten transportiert werden. Dies betrifft v. a. Ionen, Zucker, Aminosäuren, Nukleotide und viele Metabolite. Dabei transportieren die unterschiedlichen Membrantransportproteine sehr selektiv jeweils nur eine bestimmte Substanzklasse und oft sogar nur eine bestimmte Molekülart. Ionentransport. Ein wichtiges Beispiel für den Transport von Ionen ist die Na+-K+-Pumpe, die gegen den Konzentrationsgradienten Na+ aus und K+ in die Zelle befördert. Sie stellt dadurch sicher, dass die K+-Konzentration innerhalb der Zelle höher als

Modellvorstellungen für Stofftransport. Die oben be-

schriebenen Vorgänge sind nachgewiesene Transportmechanismen in der tierischen Zellmembran. Darüber hinaus gibt es eine Reihe von Modellvorstellungen, wie ein Stofftransport durch Ionenporen und Tunnelproteine bewerkstelligt werden könnte. Modellbeispiele für Ionenporen sind gewisse Antibiotika, die von Mikroorganismen ausgeschieden werden. Dies sind komplexe Ringverbindungen mit hydrophoben und hydrophilen Anteilen, die wie ein Käfig Ionen einfangen und anschließend durch Änderung der Konfiguration wieder entlassen (. Abb. 2.8). Beispiele hierfür sind Valinomycin, Enniatin, Monaktin, Nonaktin, Dinaktin und Trinaktin. Beim Einbau solcher Moleküle in Zellmembranen wird der Ionentransport gesteigert.

15 2.1 · Plasmamembran

. Abb. 2.7. Schematischer Funktionsablauf des Na+- und K+Transports durch die Zellmembran

Klinik Mukoviszidose

. Abb. 2.8. Räumliche Darstellung von Nonaktin in Form eines Käfigs. In der Mitte ein Ion, das die Pore gerade passiert (Aufsicht)

Auch Tunnelproteine sind uns nur in Form von Antibiotika bekannt. Gramicidin A ist eine solche Verbindung, die in die Zellmembran eingelagert werden kann und dann einen verschließbaren Tunnel bildet (. Übersicht 2.4).

Die Mukoviszidose ist ein Beispiel für die klinischen Folgen, wenn Membrantransportvorgänge durch eine Mutation gestört sind. Ein als cystic fibrosis transmembran conductance regulator (CFTR) bezeichnetes Membranprotein bildet Poren, die am Transport von Chloridionen durch die Membran beteiligt sind. Beim mutierten Gen sind diese Poren defekt. Normalerweise wird unaufhörlich Salz durch die Natrium- und Chloridporen gepumpt, dem Wasser osmotisch folgt und die Hohlräume der Lunge durchspült. Sind diese Poren defekt, trocknet das Drainagesystem der Lunge aus. Dadurch sammelt sich zähflüssiger Schleim in den Bronchien an, der von Bakterien und Viren besiedelt wird. Über ständige Erkältungen, Bronchitis und Lungenentzündungen kommt es schließlich zum Lungenversagen.

. Übersicht 2.4. Mechanismen des Stofftransports durch die Zellmembran

Transportform

Mechanismus

Transportierte Stoffe

Transportrichtung

Passiver Transport ohne Stoffwechselenergie

Diffusion

Ionen, kleine Moleküle

In Richtung des Konzentrations- oder elektrischen Gradienten

Aktiver Transport mit Stoffwechselenergie

Ionenpumpe

Ionen

Tunnelproteine

Moleküle

Gegen den Konzentrations- oder elektrischen Gradienten, gegen osmotischen Druck

Osmose

2

16 Kapitel 2 · Zelluläre Strukturelemente

2.1.5 Glykokalix Aufbau der Glykokalix

2

Nach außen ist die Zellmembran mit einer komplizierten Schicht aus verschiedenen Polysacchariden überzogen. Diese sind an Proteinmoleküle oder Lipidmoleküle gebunden, sind also Glykoproteine bzw. Glykolipide. Man bezeichnet diese extrazelluläre Schicht als Glykokalix. Die wichtigsten, am Aufbau der Glykokalix beteiligten Zuckermoleküle sind: 4 Glukose, 4 Galaktose, 4 Fruktose, 4 die Aminozucker Glukosamin und Galaktosamin. Eine wesentliche Rolle spielt auch die Neuraminsäure, die ebenfalls ein Aminozucker ist. Die einzelnen Zuckermoleküle können sich zu Oligo- oder Polysacchariden zusammenschließen, wodurch sich eine große Zahl von Kombinationsmöglichkeiten ergibt. Daher sind die Zelloberflächen durch eine außerordentliche Vielfalt verschiedener Polysaccharidmuster gekennzeichnet. Die mögliche Variationsbreite ist dabei größer als die Zahl der Zellen in einem Organismus. In Bakterien und Pflanzen sind nahezu alle Glykolipide vom Glycerin abgeleitet, in tierischen Zellen hingegen von Sphingosin, einem langen Aminoalkohol. Sie werden daher als Glykosphingolipide bezeichnet. Bei allen Epithelzellen schließt sich der Glykokalix auf der Seite des Bindegewebes eine Basalmembran an. An ihrem Aufbau sind die in der Außenschicht der Plasmamembran vorhandenen Glykoproteine beteiligt. Andere Glykoproteine werden nach ihrer Sekretion in den extrazellulären Raum an die Membran absorbiert.

Funktionen der Glykokalix ! Durch die Vielfalt der Kombinationsmöglichkeiten stellt die Glykokalix ein spezifisches Erkennungsareal der Zelle dar. Sie dient der Kontaktaufnahme zwischen Zellen und der Zellkommunikation.

Beispielsweise können Leukozyten so an Endothelzellen der Blutgefäße binden. Oligosaccharide an der Oberfläche der Leukozyten werden durch Selektin erkannt, ein Transmembranprotein der En-

dothelzellen. Die gebundenen Leukozyten vermitteln dann eine Entzündungsreaktion, beispielsweise an Gewebsdefekten. Die Moleküle der Glykokalix wirken auch als Antigene und bestimmen damit die serologischen Eigenschaften einer Zelle. So sind die Blutgruppensubstanzen nichts anderes als Glykolipide mit bestimmten Zuckerenden. Bestimmte Moleküle der Glykokalix binden Bakterientoxine und Viren. Andere Moleküle dienen als Rezeptoren (. Übersicht 2.5). So besitzen z. B. Mastzellen Membranrezeptoren für Komplexe aus Immunoglobulin-E-Antikörpern und dem entsprechenden Antigen (etwa aus Blütenpollen). Diese Immunoglobulinklasse ist für bestimmte Allergien (Heuschnupfen) verantwortlich. Wird ein solcher Komplex an eine Mastzelle gebunden, schüttet diese Substanzen (v. a. Histamin) aus, die eine Gefäßerweiterung und eine Kontraktion der glatten Muskulatur (in den Bronchiolen) bewirken. Auf diese Weise entstehen die bekannten Beschwerden von Allergikern und Asthmatikern. Grundsätzlich ist jedoch das Zusammenwirken von IgE-Antikörpern, Antigen und Mastzellen vorteilhaft: es ermöglicht die Bildung von Entzündungsherden und damit eine hohe lokale Infektionsabwehr. Wieder andere Moleküle der Glykokalix dienen als Hormonrezeptoren. Solche Rezeptoren für Adrenalin und Noradrenalin sind an der Zellmembran nachgewiesen. Jedoch wird nur ein Teil der natürlich vorkommenden Hormone an Rezeptoren der Zellmembran gebunden. Diese gehören zur Gruppe der Proteo- und Peptidhormone. ! Die Hormonmoleküle (first messenger) erreichen mit der Körperflüssigkeit die Zellmembran und werden von den spezifischen Rezeptoren eingefangen. Daraufhin beginnt ein besonderer Zyklus der Beeinflussung des Zellstoffwechsels, der als zyklischer Adenosinmonophosphat (cAMP) Mechanismus oder second messenger-Mechanismus bezeichnet wird.

. Übersicht 2.5. Die Glykokalix und ihre Funktion Aufbau

Netzwerk von Glykoproteinen und Glykolipiden

Funktion

Steuert Wechselwirkungen zwischen Zellen, die Kommunikation mit der Außenwelt, hat Rezeptorfunktion und wirkt als Antigen

17 2.1 · Plasmamembran

Dabei wird Zellstoffwechsel über einen sekundären Botenstoff, in diesem Falle das cAMP, beeinflusst. Der erste Schritt hierzu ist die Aktivierung des Enzyms Adenylatzyklase an der Innenseite der Membran. Dieses Enzym baut das von den Mitochondrien hergestellte Adenosintriphosphat (ATP) in cAMP um, welches nun ein bereits in der Zelle vorhandenes Enzym von einer inaktiven in eine aktive Form überführt. Dieses wiederum überführt andere Enzyme in eine aktive Form. Dadurch laufen eine Vielzahl von Stoffwechselvorgängen in der Zelle an. So stimuliert beispielsweise Adrenalin in der Leber den Abbau von Glykogen zu Glukose. Die genauen Schritte sind der . Abb. 2.9 zu entnehmen.

2.1.6 Zellverbindungen Die Glykokalix an der Außenseite der Zellmembran ist für die Zellkontakte verantwortlich. Sie dient der Kontaktaufnahme zwischen Zellen und einer spezifischen Zellkommunikation. Durch den ständigen Umbau von Membranen bei lebenden Zellen werden immer neue Membranmoleküle, also auch Glykoproteine in die Zellmembran eingebaut. Diese üben eine Signalwirkung auf die benachbarten Zellen aus. Frei bewegliche Zellen können hierdurch mobilisiert werden, gleichartige Zellen an ihren Oberflächeneigenschaften erkennen und Zell-ZellVerbindungen mit diesen eingehen. Daraufhin kommt es zur Kontaktinhibition, also zum Stillstand der Zellbewegung und möglicherweise zur Hemmung der Zellteilung. Dieses Verhalten kann man an Zellkulturen, z. B. Fibroblastenkulturen, beobachten. Fibroblasten wachsen nur solange, bis sie sich an allen Seiten mit

2

Zellen berühren, dann stellen sie das Wachstum ein. Um eine erneute Teilungsaktivität zu produzieren, müssen die Kulturen geteilt und damit wieder verdünnt werden. Krebszellen verhalten sich umgekehrt. Sie wachsen ungehemmt und sind zu keiner geordneten Bildung von Gewebe mehr fähig, weil sie diese Kommunikationsmöglichkeit über Zellverbindungen verloren haben.

Formen von Zellverbindungen Durch Kontaktinhibition wird es auch für embryonale Zellen möglich, Gewebe aufzubauen. Dies geschieht durch Ausbildung von bestimmten Haftzonen zwischen den Zellen. Die erste Verbindung zwischen den Zellen wird durch bestimmte Molekülaggregate bewerkstelligt, die in den Membranen vorhanden sind. Hierbei gehen die Moleküle der Glykokalix eine Bindung ein. Diese Verknüpfung wird durch weitere lokale Differenzierungen der Zellmembran verfestigt, die dann die endgültige Verbindung herstellen. Dabei kann man verschiedene Formen von Zellverbindungen voneinander unterscheiden. Bei manchen verschmelzen die einander angenäherten Zellmembranen direkt miteinander, bei anderen wiederum ist keine direkte Verschmelzung vorhanden. Betrachten wir die verschiedenen Zellverbindungen am Beispiel der Zellhaftung zwischen Epithelzellen (. Abb. 2.10). Die Plasmamembranen dieser Zellen bilden zur Vermeidung eines Stoffdurchtritts im Interzellularraum regelmäßige Schlussleisten, die den gesamten Zellumfang ohne Unterbrechung umfassen. Unterhalb der Membranelemente, die der Oberflächenvergrößerung dienen, schließen sich miteinander verschmolzene Strecken der Zellmembranen an. Diese werden als Zonula

. Abb. 2.9. Second messenger-Mechanismus am Beispiel des adrenalingesteuerten Glykogenabbaus in der Leberzelle

18 Kapitel 2 · Zelluläre Strukturelemente

dienen. Weiterhin existieren noch lokale Verengungen des Interzellularraumes zwischen den Zellen, die man als Kommunikationskontakte bezeichnen kann, die sog. gap junctions.

2

Funktionen von Zellverbindungen

. Abb. 2.10. Zellverbindungen

occludens oder tight junction bezeichnet. Darunter folgt ein Bereich der Zellverbindung ohne Membranverschmelzung, die Zonula adhaerens. Die auseinander gerückten Membranen werden hier durch Interzellularsubstanz verkittet. Andere Verbindungsarten sind auf enge Bereiche beschränkte, kompliziert aufgebaute Kontaktzonen, wie die Desmosomen (Maculae adhaerentes). Diese kann man gleichsam als Nieten bezeichnen, während die Zonulae eher mit Nähten vergleichbar sind. Auch die Desmosomenhälften zeigen keine Membranverschmelzung, sondern sind durch Kittsubstanz verbunden. Die Kittsubstanz besteht vorwiegend aus Glykoproteinen und Mukopolysacchariden. An der zytoplasmatischen Seite der Membran finden sich plattenartige Verdickungen, in die Fibrillenbündel aus Keratin münden (Tonofilamente). Diese wiederum durchziehen die ganze Zelle. Neben den Desmosomen kennt man Hemidesmosomen, die jedoch keine eigentlichen Zellverbindungen sind, sondern als Verankerung von Epithelzellen mit dem darunter gelegenen Bindegewebe

Die Aufgabe der gap junctions ist der direkte Stoffaustausch zwischen den Zellen. Der Interzellularraum wird von Tunnelproteinen (Hauptprotein: Connexin) überbrückt, die sich durch die Zellmembranen benachbarter Zellen ziehen. Dabei bilden die sechs Untereinheiten des Connexin eine Röhre, die wasserlösliche Moleküle, wie Aminosäuren, Nukleotide, Vitamine, Disaccharide, Steroidhormone oder cAMP, durchtreten lässt. Außerdem wird durch Zellverbindungen eine elektrische Kopplung von Zellen erreicht. Elektrische Impulse können so mit hoher Geschwindigkeit von einer Zelle auf die andere weitergegeben werden. Darum spricht man auch von elektrischen Synapsen, im Gegensatz zu den chemischen Synapsen der Nervenzellen. Die Erregungsleitung durch Kommunikationskontakte ist in der frühen Embryonalentwicklung, bei der Darmperistaltik aber auch bei der Aktivität der Herzmuskulatur von Bedeutung. ! Zellverbindungen dienen also einerseits dem Austausch von größeren Molekülen zwischen benachbarten Zellen. Andererseits sind sie wegen ihres geringen elektrischen Widerstands für den interzellulären Ionentransport geeignet und ermöglichen so durch Ionenaustausch eine elektrische Kopplung (Ionenkopplung) zwischen benachbarten Zellen. Sie sorgen also für eine stoffliche und elektrische Integration nebeneinanderliegender Zellen. Darüber hinaus dienen sie der Stabilisierung von Zellverbänden (. Übersicht 2.6).

Klinik Pemphigus vulgaris Pemphigus vulgaris ist eine Erkrankung, die durch Auflösung von Zellverankerungen zustande kommt. Der Körper entwickelt Antikörper gegen transmembranöse Verbindungsproteine der Desmosomen. Die Folgen sind Blasenbildungen in der Haut und in den Schleimhäuten.

19 2.2 · Zellkern

2

. Übersicht 2.6. Interzelluläre Verbindungen und ihre Funktion

Zellverbindung

Funktion

Morphologische Beschreibung

Vorkommen

Zonula occludens (tight junction)

Impermeabler Verschlusskontakt zur Erhaltung eines interzellulären Milieus

Gürtelförmige Verschmelzung von Zellmembranen

In Epithelzellen von Dünndarm, Blase, Niere, Gehirngefäßen

Zonula adhaerens

Feste mechanische Zellverankerung

Gürtelförmige Verbindung von Zellmembranen mit einem interzellulären Spalt

In Epithelzellen

Macula adhaerens (Desmosom)

Feste mechanische Zellverankerung

Punktförmige Verbindung von Zellmembranen mit einem interzellulären Spalt

In Epithelzellen und Zellen des Herzmuskels

Gap junction

Zellkommunikation durch direkten Stoffaustausch und elektrische Kopplung

Transmembrane zylindrische Proteine, die lokale Verengungen des Interzellularraumes tunnelartig durchziehen

Ubiquitär

2.2

Zellkern

2.2.1 Kerngestalt

Das prominenteste Organell einer Eukaryotenzelle ist bereits unter dem Lichtmikroskop zu erkennen: der Zellkern (. Abb. 2.11). Er ist der Hauptträger der biologischen Erbinformation, die in Form von DNA in den Chromosomen verpackt ist.

Die äußere Kerngestalt ist abhängig vom momentanen Aktivitätszustand der Chromosomen und von ihrer für jede Tierart spezifischen Anzahl. Die einfachste Gestalt des Zellkerns ist die Kugelform, sehr häufig zu finden sind aber auch nierenförmige

. Abb. 2.11. Zellkern. 1, 2 Perinukleärer Spalt mit Kommunikationsstellen 8 zum endoplasmatischen Retikulum (3).

4 Spiralig angeordnete Ribosomen. 5 Poren der Kernhülle. 6 Nukleolus

20 Kapitel 2 · Zelluläre Strukturelemente

2

Kerne, wobei die Einbuchtung durch die Lage der Zentriolen (. Übersicht 2.18) bestimmt ist. Die Kernform kann sich auch der Zellform anpassen. In lang gestreckten Zellen, wie Bindegewebs- oder Muskelzellen, beobachtet man auch lang gestreckte Kerne.

2.2.2 Kernanzahl Kerne kommen in allen Zellen vor, wobei im Normalfall ein Zellkern pro Zelle vorhanden ist. Eine Ausnahme bilden die Erythrozyten, die nur als embryonale Zellen einen Kern aufweisen, während die ausgebildeten Zellen kernlos sind (. Abb. 1.2). Andere Zellen besitzen mehr als einen Kern, wie beispielsweise Leberzellen mit bis zu 8 Kernen. Auch Nervenzellen können 2 Kerne besitzen. Die als Knochenzerstörungszellen beim Knochenumbau benötigten Osteoklasten weisen bis zu 100 Zellkerne auf. Darüberhinaus sind Fremdstoffriesenzellen vielkernig.

2.2.3 Kernbestandteile ! Der Zellkern besteht aus der Kernhülle und dem Kernplasma, in welches die Erbsubstanz (Chromatin bzw. Chromosomen) sowie das Kernkörperchen (Nukleolus) eingelagert sind.

Chromatin Betrachtet man einen fixierten und mit basischen Farbstoffen angefärbten Zellkern unter dem Lichtmikroskop, so erkennt man ein Kerngerüst. Dies ist das Chromatin, das aus der eigentlichen Erbsubstanz, den Chromosomen besteht. Das Chromatin ist ein Artefakt und entspricht nicht dem natürlichen Zustand der Chromosomen. In der Zelle liegt es in zwei Formen vor: Euchromatin. Locker verteiltes Chromatin im Ar-

beitskern. Das Euchromatin ist weitgehend entspiralisiert und wird als aktives Genmaterial angesehen. Heterochromatin. Dicke Chromatinmassen, die das Kerngerüst bilden. Das Heterochromatin kann als inaktives Genmaterial gedeutet werden, das in spiralisierter Form vorliegt. Das Heterochromatin

nimmt vor der Zellteilung beim Übergang vom Arbeits- in den Teilungskern stark zu. Entsprechend ist die Menge des Heterochromatins ein Ausdruck für die Stoffwechselaktivität einer Zelle und unterliegt deutlichen Schwankungen. Beim Heterochromatin lassen sich wiederum zwei Formen unterscheiden: 4 Konstitutives Heterochromatin. Prinzipiell kann jeder Teil eines Chromosoms kondensieren und heterochromatisch werden, manche Teile liegen aber immer in dieser Form vor. Man spricht dann von konstitutivem Heterochromatin. Dieses Chromosomenmaterial wird niemals in Protein übersetzt, es wird bei der Zellteilung spät repliziert und geht als Heterochromatin auf die Tochterzellen über. Ein Beispiel ist die Zentromerregion, an der die beiden Chromatiden eines Chromosoms zusammengehalten werden. Ebenso wird zur Dosiskompensation gegenüber männlichen Zellen in jeder weiblichen Zelle eines der beiden X-Chromosomen inaktiviert: dieses Sexchromatin kann durch geeignete Färbemethoden sichtbar gemacht werden (. Abb. 10.2). 4 Fakultatives Heterochromatin. An seiner Menge kann man den Entwicklungszustand oder den physiologischen Zustand einer Zelle erkennen. So findet sich in ausdifferenzierten Zellen viel Heterochromatin, weil ein Großteil des chromosomalen Materials kondensiert und damit stillgelegt ist. Nur ein geringer Teil der Erbinformation muss noch abgelesen werden und ist folglich nicht kondensiert. Embryonale Zellen dagegen, bei denen ein großer Teil der Erbinformation tatsächlich in Protein übersetzt werden muss, haben wenig Heterochromatin.

Chromosomen Vollständig kondensierte Chromosomen können in eukaryotischen Zellen nur während der Mitose beobachtet werden. Im Interphasekern sind sie entspiralisiert und somit lichtmikroskopisch nicht sichtbar. Die nicht kondensierten DNA-Moleküle besitzen einen Durchmesser von 2 nm und eine durchschnittliche Länge von 5 cm. Würde man alle entspiralisierten Chromosomen einer menschlichen Zelle aneinander reihen, so ergäbe dies einen Faden von ca. 2 m Länge. Bei einem Kerndurchmesser von ca. 5 μm muss also offensichtlich ein hohes Ord-

21 2.2 · Zellkern

2

. Übersicht 2.7. Struktur des Chromatins

nungsprinzip existieren, um die DNA-Fäden auf diesem kleinen Raum zu verpacken. ! Isoliert man das Chromatin aus Zellkernen und untersucht es biochemisch, so findet man neben der DNA (Desoxyribonukleinsäure; 7Kap. 7.2) und einer kleinen Menge Ribonukleinsäure (RNA) zwei Hauptklassen von Proteinen: 4 5 verschiedene Typen von basischen Histonen (H1, H2A, H2B, H3 und H4), 4 eine heterogene Gruppe von Nicht-HistonProteinen, die beispielsweise verschiedene Enzyme darstellen.

Die Histone sind für die strukturelle Organisation der Chromosomen verantwortlich. Sie haben viele basische, positiv geladene Aminosäuren und daher eine hohe Affinität zur negativen Ladung der DNA. Die Histone H2A, H2B, H3 und H4 bilden zylinderförmige Protein-Oktamere aus den Dimeren der vier verschiedenen Histone. Jedes Histon-Oktamer ist von einem DNA-Faden mit 1,75 Linkswindungen umwickelt, was 146 Basenpaaren entspricht. Dieser Komplex ist der Nukleosomencore (. Übersicht 2.7, . Abb. 2.13). Das Histon H1 liegt außerhalb des Nukleosomencores und ist mit DNA-Abschnitten unterschiedlicher Länge (15–100 Basenpaare) assoziiert. Diese sog. Linker-DNA verbindet ein Nukleosom mit dem

anderen. So werden fortlaufendende Einheiten von ca. 200 Basenpaaren (200 bp) gebildet, die einen Faden mit einem Durchmesser von 10 nm erzeugen. Die H1-Histone verkürzen den DNA-Faden weiter, indem mit ihrer Hilfe mehrere Nukleosomen helikal aufgedreht werden. Dies führt zu einer Chro-

. Abb. 2.12. Metaphasechromosom des Chinesischen Hamsters

22 Kapitel 2 · Zelluläre Strukturelemente

2

. Abb. 2.13. Organisation der DNA im Metaphasechromosom

matinfaser von etwa 30 nm Durchmesser. Sie wird wiederum in Schlaufen gelegt, wobei jede Schlaufe etwa 75 kb (75 Kilobasen = 75.000 bp) DNA enthält. Die Schlaufen sind an ein zentrales Gerüst aus sauren Nicht-Histon-Proteinen geheftet. Dieses Gerüst enthält das Enzym Topoisomerase II, das in der Lage ist, die beiden DNA-Stränge des DNA-Doppelstrangs wieder zu entwinden. Die Topoisomerase II und andere Proteine des Chromatins binden an bestimmte DNA-Sequenzen mit einem hohen Anteil

(über 65%) des Basenpaars Adenin und Thymin. Diese Sequenzen werden auch als Gerüstkopplungsbereiche (scaffold attachment regions, SAR) bezeichnet und stellen möglicherweise auch die Elemente dar, an denen die Chromatinschlaufen aufgehängt sind. Die so in Schlaufen aufgehängte Chromatinfaser wird durch Schleifenbildung weiter verkürzt. Diese weitere Aufwindung zu den Chromatiden eines Metaphasechromosoms führt schließlich zu einer etwa

23 2.2 · Zellkern

2

10.000-fachen Verkürzung der ursprünglichen Länge des DNA-Moleküls (. Abb. 2.12, 2.13).

len sie eine wesentliche Rolle beim Auf- und Abbau der Kernmembran bei der Zellteilung.

Kernhülle und Kernplasma

Poren der Kernhülle. Insgesamt besteht zwischen Karyoplasma und Zytoplasma ein reger Stoffaustausch (Import von Proteinen, Export von RNA-Molekülen). Hierfür ist die Kernhülle von zahlreichen Poren durchsetzt, an deren Rand die innere und äußere Elementarmembran ineinander übergehen. Viele Proteine sind am Bau dieser tunnel- und trichterähnlichen Strukturen beteiligt und kommen häufig in zahlreichen Kopien vor. Insgesamt ist ein solcher Komplex aus über 1.000 Proteinen aufgebaut. Diese Porenkomplexe werden aus acht oktaederartig angeordneten symmetrischen Proteineinheiten gebildet, die ringförmig auf äußerer und innerer Kernmembran angeordnet sind. Man beobachtet je nach Funktionszustand und Zelltyp zwischen einigen hundert und mehr als einer Million Poren pro Zellkern. Jeder dieser Kernporenkomplexe schließt noch acht kleinere ständig offene Poren mit ein, durch die kleinere Moleküle diffundieren können. Der Transport durch die Zentralporen wird aktiv unter ATP-Energieverbrauch gesteuert. An diesem komplexen Prozess sind zahlreiche Proteine beteiligt, u. a. als Importine bezeichnete Rezeptorproteine. Die Importine erkennen bestimmte Aminosäuresequenzen in den durchzuschleusenden Proteinen und leiten damit den Transport durch die Poren ein. Auf ähnliche Weise gelangen Transkriptionsfaktoren, Ribosomen, mRNA sowie DNA- und RNA-Polymerasen selektiv durch die Kernporen an ihren Bestimmungsort (. Übersicht 2.9).

Die Kernhülle (Karyolemm) trennt das Kernplasma (Karyoplasma, Karyolymphe, Nukleoplasma) vom Zytoplasma (. Abb. 2.11). Kernplasma. Das Kernplasma oder die Karyolymphe

besitzt einen eigenen Stoffhaushalt, der speziell auf die Aufgaben der Chromosomen abgestimmt ist. Aus diesem Grund stimmt seine Ionenzusammensetzung nicht mit der des Zytoplasmas überein. Natrium- und Chloridionen sind so stark angereichert, dass ihre Konzentration das 10.000-Fache der Konzentration des Zytoplasmas erreicht. Der dazu notwendige rasche Ionentransport erfolgt wahrscheinlich durch die Kanäle des endoplasmatischen Retikulums. Dabei kann bis zur Hälfte der zellulären Natriumionen im Kern angesammelt werden, sodass der Kernraum als Ionenspeicher für die Zelle dient. Da die Proteinbiosynthese im Zytoplasma stattfindet, stammen alle Proteine des Karyoplasmas aus dem Zytoplasma. Im Kernraum findet dagegen die DNASynthese (Replikation) sowie die Transkription der DNA in hnRNA und deren Zurechtschneiden (Processing) zur mRNA statt 7Kap. 7.7.4, . Übersicht 2.8). Kernhülle. Hierbei handelt es sich um eine Doppel-

membran aus zwei Elementarmembranen. Der Raum zwischen den beiden Elementarmembranen, der als perinukleärer Spalt bezeichnet wird, kommuniziert mit dem Spaltensystem des endoplasmatischen Retikulums (7 Kap. 2.5). Die äußere Elementarmembran kann von Ribosomen besetzt sein. Der inneren Elementarmembran ist eine Lamina aufgelagert, die sich aus den Polypeptiden Lamin A, B und C zusammensetzt. An dieser Lamina sind die Chromosomenenden verankert. Je nach Phosporylierungszustand aggregieren die Lamine oder diese Aggregate lösen sich auf. Dadurch spie-

Nukleolus Mit basischen oder mit sauren Farbstoffen kann ein weiterer Bestandteil des Zellkerns optisch dargestellt . Übersicht 2.9. Aufbau und Funktion der Kernhülle Aufbau

Doppelmembran (Karyolemm) mit perinukleärem Spalt, außen mit Ribosomen besetzt, innen mit aufgelagerter Lamina. Von zahlreichen komplexen Poren durchsetzt, die den ATP-vermittelten selektiven Transport in und aus dem Kern regulieren. Anheftung der Chromosomenenden an der Lamina

Funktion

Aufrechterhaltung eines eigenen Stoffhaushalts mit einer vom Zytoplasma sehr unterschiedlichen Ionenzusammensetzung

. Übersicht 2.8. Hauptaufgaben des Zellkerns Träger der Erbinformation in Form von Chromosomen, in denen die DNA auf hoch geordnete Weise verpackt ist Replikation und Transkription von DNA in hnRNA. Processing von hnRNA in mRNA

24 Kapitel 2 · Zelluläre Strukturelemente

2

werden: der Nukleolus (Kernkörperchen). Er tritt vorwiegend einzeln auf (. Abb. 2.11), manche Zellkerne besitzen aber auch mehrere Nukleoli.

beispielsweise auf den Chromosomen 13, 14, 15, 21 und 22 (. Übersicht 2.10).

! Der Nukleolus ist der Entstehungsort der Ribosomen. Er enthält DNA-Schleifen, die für Gene einer ribosomalen Nukleinsäure, der rRNA, kodieren und deren Transkripte. Neusynthetisierte ribosomale Proteine wandern aus dem Zytoplasma in die Nukleoli und lagern sich an die rRNA. An anderer Stelle im Zellkern gebildete 5 S-rRNA kommt dazu. So entstehen die Grundstrukturen der Ribosomen, die dann ins Zytoplasma gelangen.

2.2.4 Transkription und Replikation

Dies alles findet in einer morphologisch geordneten Struktur statt. Im Inneren befindet sich das fibrilläre Zentrum mit den DNA-Schleifen, die intensiv transkribiert werden und daher dicht mit RNA-Polymerase-Molekülen bedeckt sind. Über ihnen liegt die dichte fibrilläre Komponente, ein Gerüst, das die Nukleolus-Struktur zusammenhält. Die ersten Schritte beim Zusammenbau der Ribosomen erfolgen hier. Nach außen schließt sich die granuläre Komponente an, wo sich die Ribosomenvorläufer als dicht gepackte Partikel befinden. Während der Zellteilung lösen sich die Nukleoli auf, danach werden sie von speziellen Chromosomenbezirken bestimmter Chromosomen wieder aufgebaut. Diese Chromosomenabschnitte enthalten in vielfach wiederholter Folge Gene für die rRNA. Diese Nukleolus-Organizer-Regionen (NOR-Regionen) befinden sich beim Menschen

. Übersicht 2.10. Aufbau, Bildung und Funktion desNukleolus Aufbau und Bildung 4 Aufbau aus DNA-Schleifen, die rRNA-Gene tragen, rRNA-Transkripten und ribosomalen Proteinuntereinheiten 4 Untergliederung in fibrilläres Zentrum, fibrilläre Komponente und granuläre Komponente 4 Findet sich in allen Interphasekernen und wird von den Nukleolus-Organizer-Regionen (NOR-Regionen) akrozentrischer Chromosomen gebildet 4 Beim Menschen sind die NOR-Regionen auf den Chromosomen 13, 14, 15, 21 und 22 Funktion 4 Produktion der Bestandteile der Ribosomen

im Lichtmikroskop Die molekularbiologischen Grundlagen der Transkription und Replikation von DNA werden ausführlich in 7Kap. 7 beschrieben. An dieser Stelle seien die lichtmikroskopisch zu beobachtenden Phänomene dargestellt. ! Erbinformation kann nur abgelesen und letztendlich zu einem Genprodukt umgesetzt werden, wenn die DNA dekondensiert ist.

Die Entspiralisierung von Chromosomen kann am besten an den Riesenchromosomen der Fruchtfliege Drosophila untersucht werden. Diese in den Speicheldrüsen der Fruchtfliege vorkommenden Chromosomen entstehen durch wiederholte Verdopplung (Replikation) der DNA, ohne dass die Replikationsprodukte ihren Zusammenhalt verlieren oder eine Zellteilung eingeleitet würde (. Abb. 2.14). Ein Riesenchromosom hat etwa 10 Verdopplungen durchlaufen und besteht aus 210 = 1024 Replikationsprodukten. Außerdem bleiben die verdoppelten Chromosomen gepaart. Ein Riesenchromosom erreicht damit eine Länge von etwa 2 mm, sodass eine genaue zytogenetische Analyse möglich ist. Bei der Transkription eines Gens (Synthese von RNA) entfaltet sich die DNA und es entstehen sog. puffs als mikroskopisch sichtbarer Ausdruck der Genaktivität. Vergleichbare Beobachtungen kann man an Chironomus, einer Zuckmücke oder an den Chromosomen von Amphibieneiern machen. Letztere weisen sog. Lampenbürstenchromosomen auf, deren aktive DNA-Schleifen an die Bürsten erinnern, die man früher zum Putzen der Öllampen verwendete. Lampenbürstenchromosomen stellen eine Besonderheit der Meiose (7 Kap. 5) dar. Die Chromosomen befinden sich in der Prophase der 1. meiotischen Teilung, in der zwei homologe Chromosomen gepaart sind. In jedem Chromosom werden zu beiden Seiten Schleifen ausgebildet. Lampenbürstenchromosomen

25 2.3 · Zytoplasma und Zytosol

2

. Abb. 2.14. Riesenchromosom der Fruchtfliege Drosophila

. Abb. 2.15. Schematische Darstellung eines Lampenbürstenchromosoms

sind die größten bekannten Chromsomen, sie erreichen eine Gesamtlänge von etwa 6 mm, die Schleifen können bis zu 0,2 mm lang werden (. Abb. 2.15).

2.3

Zytoplasma und Zytosol

! Die gesamte Zelle wird vom Zytoplasma ausgefüllt. Dieses besteht aus dem Zytosol, den darin verteilten zytoplasmatischen Organellen und dem Zytoskelett.

Das Zytosol beträgt mengenmäßig etwa 55% des gesamten Zellvolumens. Ungefähr 20% des Gewichts des Zytosols sind Proteine, sodass es sich eher um eine hoch organisierte gelartige Masse handelt, als um eine einfache Lösung. Auch wissen wir, dass beispielsweise das Zytosol, das den Golgi-Apparat umgibt, nicht identisch ist mit dem Zytosol, das den Zellkern umhüllt. Da allerdings die Organisation des Zytosols nach dem Aufbrechen der Zelle kaum erhalten werden kann, wissen wir noch wenig über die Art solcher Unterschiede.

26 Kapitel 2 · Zelluläre Strukturelemente

2

Das Zytosol enthält Tausende von Enzymen, welche Reaktionen wie die anaerobe Glykolyse und die Biosynthese von Zuckern, Fettsäuren, Nukleotiden und Aminosäuren katalysieren. Auch die Proteinbiosynthese an freien Ribosomen findet im Zytosol statt. Unter dem Mikroskop kann man im Zytosol von vielen Zellen Fetttröpfchen (Triglyzeride, die Lagerform von Fettsäuren) und auch Glykogen entdecken. Der Proteinabbau findet ebenfalls im Zytosol statt. Enzyme, die Proteine schrittweise zu kurzen Peptiden und dann zu einzelnen Aminosäuren abbauen heißen Proteasen. Die meisten Proteine werden in großen Komplexen aus proteolytischen EnzyKlinik Stoffwechselstörungen Glykogenspeicherkrankheiten. Bei dieser Gruppe rezessiv vererbter Krankheiten kann Glykogen aufgrund eines Enzymdefekts nicht vollständig abgebaut werden und wird in verschiedenen Organen, v. a. im Herzen, in quergestreifter Muskulatur, Leber und/oder Niere gespeichert. Dies führt zu einer extremen Hypoglykämie, einer Leberfunktionsstörung und neurologischen Auffälligkeiten. Durch verschiedene Enzymdefekte in unterschiedlichen Stufen des Glykogenabbaus werden mehrere Typen dieser Erkrankung verursacht.

2.4

Ribosomen

Ribosomen (. Abb. 2.16) sind nicht nur, wie bereits beschrieben, an das endoplasmatische Retikulum und an die äußere Kernmembran angelagerte Organellen, sie liegen auch frei im Zytosol.

2.4.1 Aufbau ! Ribosomen sind nicht von einer Membran umgeben, sie sind Ribonukleoproteine (Verbindungen aus Ribonukleinsäure und Proteinen) und bestehen jeweils aus zwei Untereinheiten.

Diese Untereinheiten sind durch ihre Sedimentationsgeschwindigkeit in der Ultrazentrifuge gekenn-

men, den Proteasomen, abgebaut. Sie bestehen aus einem zentralen Zylinder aus Proteasen, deren aktive Zentren eine innere Kammer bilden. Die Enden sind durch je einen großen Proteinkomplex aus mindestens 10 Untereinheiten verstöpselt. Diese Proteinstöpsel binden die zum Abbau bestimmten Proteine und befördern sie ins Innere der Zylinderkammer, wo die Proteasen den Abbau vornehmen. Die Proteasomen erkennen zum Abbau bestimmte Proteine durch deren Markierung mit einem kleinen Protein, dem Ubiquitin, welches kovalent gebunden wird. Vor dem Proteinabbau wird im Proteasom das Ubiquitin wieder als Ganzes entfernt, sodass es wiederverwendet werden kann.

Fettleber. Ein pathologisch übermäßiger Fettgehalt des Lebergewebes kann mehrere Ursachen haben: 4 vermehrtes Fettangebot, 4 vermehrte körpereigene Fettbildung, 4 Störungen des Fettsäureabbaus, 4 Abtransportstörungen bei Lebererkrankungen. So tritt die Fettleber bei Fettsucht, Eiweißmangel, Diabetes mellitus, chronischem Alkoholismus, als Folge von Lebergiften, bei Sauerstoffmangel infolge von Anämie und bei Herzkreislaufschwäche auf.

zeichnet. So besitzen die Ribosomen von Prokaryoten und Mitochondrien eine Sedimentationskonstante von 70 S (1 Svedberg entspricht einer Geschwindigkeit von 10-13 s), die wiederum aus zwei verschieden großen Untereinheiten von 50 S und 30 S aufgebaut sind. Die Svedberg-Werte sind nicht additiv, da die Gestalt der Untereinheiten mit in den S-Wert eingeht. Im Gegensatz dazu besitzen die Ribosomen im Zytosol der Eukaryoten eine Sedimentationskonstante von 80 S und bestehen aus Untereinheiten von 60 S und 40 S. Die kleine Untereinheit besteht aus einem rRNA-Molekül und etwa 33 verschiedenen Proteinen, während die große Untereinheit aus drei verschiedenen rRNA-Molkülen besteht, gebunden an mehr als 40 Proteine. Wegen des Unterschieds der ribosomalen Struktur zwischen Pro- und Eukaryoten konnten Stoffe

27 2.5 · Endoplasmatisches Retikulum

a

e

b

c

f

2

d

g

. Abb. 2.16 a–g. Modellvorstellungen nach Immunelektronenmikroskopie und Proteinvernetzung für die ribosomale 30 S Untereinheit (a–d), die ribosomale 50 S Untereinheit (e,f)

und für das 70 S-Ribosom (g) von E. coli. Die Zahlen geben Antikörperbindungsstellen für die entsprechenden ribosomalen Proteine an

gefunden werden, die die Proteinbiosynthese prokaryotischer Zellen selektiv hemmen. Diese Tatsache besitzt entscheidende Bedeutung für die Medizin, da sie die Grundlage der antibakteriellen Therapie mit Antibiotika darstellt. Beispiele für solche Antibiotika sind Aminoglykoside, Makrolide oder Chloramphenicol.

4 Ribosomen, die frei im Zytoplasma vorkommen, synthetisieren die zelleigenen Proteine. 4 Ribosomen, die sich frei im Zytoplasma befinden und gerade keine Aufgabe bei der Proteinsynthese erfüllen, liegen immer als getrennte Untereinheiten vor (. Übersicht 2.11).

2.5 2.4.2 Funktion Ribosomen spielen eine entscheidende Rolle bei der Proteinbiosynthese (Translation). 4 Ribosomen, die am endoplasmatischen Retikulum sitzen, wirken bei der Herstellung von membranständigen und zur Ausschleusung aus der Zelle bestimmten Proteinen mit.

Endoplasmatisches Retikulum

In allen tierischen Zellen, mit Ausnahme der ausgereiften roten Blutkörperchen, finden wir ein Labyrinth von Gängen, Spalten und Röhren, das aus Elementarmembranen besteht. Man bezeichnet die Gesamtheit dieser Membransysteme als endoplasmatisches Retikulum (. Abb. 2.17).

. Übersicht 2.11. Entstehung, Aufbau und Funktion der Ribosomen Entstehung

Im Zellkern, Vorstufen im Nukleolus

Aufbau

Verbindungen aus rRNA und Proteinen (Ribonukleoproteine), bestehend aus 2 Untereinheiten: 4 Prokaryoten und Mitochondrien: 50 S- und 30 S-Untereinheiten werden zu 70 S-Ribosomen zusammengesetzt 4 Eukaryoten: 60 S- und 40 S-Untereinheiten werden zu 80 S-Ribosomen zusammengesetzt

Funktion

Translationssysteme: 4 am endoplasmatischen Retikulum für Membranproteine und Proteine, die exportiert werden 4 im Zytoplasma für zelleigene Proteine

28 Kapitel 2 · Zelluläre Strukturelemente

2.5.2 Formen Nach elektronenmikroskopischen Untersuchungen kann man zwei Formen des endoplasmatischen Retikulums unterscheiden, 4 das raue endoplasmatische Retikulum (granuläres ER), 4 das glatte endoplasmatische Retikulum (agranuläres ER).

2

Die beiden Formen können ineinander übergehen und müssen daher als Teile eines Systems, nicht als zwei verschiedene Systeme, angesehen werden. Wie hoch der Anteil der beiden Formen an diesem System ist, hängt stark von der Stoffwechsellage der entsprechenden Zellen ab, sodass bei unterschiedlicher Funktionslage jeweils ein anderer Anteil überwiegt.

Raues endoplasmatisches Retikulum Proteinbiosynthese. Das raue endoplasmatische

. Abb. 2.17. Elektronenmikroskopische Aufnahme des rauen endoplasmatischen Retikulums. Vergrößerung 1:30.000

2.5.1 Aufgaben ! Das endoplasmatische Retikulum besitzt eine Reihe verschiedener Aufgaben: 4 Es grenzt eigene Stoffwechselräume im Zytoplasma ab, indem es das Zellinnere unterteilt (Kompartimentierung). 4 Es dient dem intrazellulären Stofftransport als Kanalsystem (Kanalisierung). 4 Es nimmt Aufgaben als Membrandepot zum Aufbau neuer Membranen wahr. 4 Es schafft durch eine Oberflächenvergrößerung günstige Bedingungen für enzymatische Reaktionen (Stoffwechsel).

Das endoplasmatische Retikulum darf man sich jedoch nicht als festes, unveränderbares Gefüge vorstellen, sondern es ist in ständigem Umbau begriffen. So können durch Zusammenlagerung von Untereinheiten, je nach den momentanen Bedürfnissen und Gegebenheiten der Zelle, neue Stoffwechselräume geschaffen und andere aufgelöst werden.

Retikulum ist an der zytoplasmatischen Seite mit Ribosomen besetzt. Hier ist der Ort der Synthese von sekretorischen-, lysosomalen- und Membranproteinen. In Zellen, in denen große Mengen von Proteinen synthetisiert und sezerniert werden, wie den enzymproduzierenden Zellen des Darmtrakts oder den insulinproduzierenden Zellen der Bauchspeicheldrüse, wird ein besonders gut entwickeltes raues endoplasmatisches Retikulum angetroffen. Besonders dicke Lagen von endoplasmatischem Retikulum bewirken eine Basophilie, d. h. eine mit basischen Farbstoffen einfärbbare Zone in der Zelle. Dieser basophile Anteil des Zellplasmas wird Ergastoplasma genannt. Man findet es in Drüsenzellen oder als Nissl-Schollen in Nervenzellen. Allerdings ist nur etwa die Hälfte aller Ribosomen einer Zelle an das endoplasmatische Retikulum gebunden. Beispielsweise werden Histone und ribosomale Proteine an frei im Zytosol liegenden Ribosomen synthetisiert. Auch die Mitochondrien (7 Kap. 2.9) besitzen ihre eigenen mitochondrialen Ribosomen. Signalpeptide. Wichtig ist ein Mechanismus, um zu unterscheiden, welche Proteine am endoplasmatischen Retikulum produziert werden und welche an freien Ribosomen. Auf Ebene der mRNA gibt es für sekretorische Proteine eine spezifische Signalse-

29 2.5 · Endoplasmatisches Retikulum

quenz. Diese kodiert für 15 bis 20 überwiegend hydrophobe Aminosäuren, die sich bei der Polypeptidkette des entsprechenden Proteins am NH2terminalen Ende wieder finden. Direkt nach Synthetisierung dieser Sequenz am Ribosom bindet ein Signalerkennungspartikel (SRP: signal recognition particle) aus dem Zytosol das Ribosom mit Hilfe von Rezeptoren an die Membran des endoplasmatischen Retikulums. Danach löst sich der SRP wieder ab und das Ribosom wird an einen Translokationskomplex aus drei Transmembranproteinen gebunden. Diese bilden einen Tunnel, in den die wachsende Polypeptidkette hineingeführt wird, sodass die Polypeptidkette direkt in das Lumen des endoplasmatischen Retikulums »hineinwächst«. Dort wird die Signalsequenz nach Fertigstellung der Kette wieder abgespalten, das Protein kann gefaltet und transportiert werden. Das nun freie Ribosom wandert wieder ins Zytosol. Dagegen sind Proteine, welche für das endoplasmatische Retikulum selbst synthetisiert werden, am C-terminalen Ende durch eine besondere Aminosäuresequenz markiert. ! Erkennt ein SRP also eine spezifische Signalsequenz am Anfang eines gerade entstehenden Proteins, so wird das Ribosom an das endoplasmatische Retikulum gebunden, da es sich um ein Protein für den Export handelt.

2

kulum, speichert Ca2+-Ionen. Seine Membranen enthalten eine Ionenpumpe, die die Ca2+-Konzentration im Inneren der Zisternen auf das 1.400-Fache der Außenkonzentration hochpumpen kann. Bei Erregung des sarkoplasmatischen Retikulums steigt die Ca2+-Permeabilität sprunghaft an, die Ca2+-Ionen werden ins Zytoplasma der Muskelzelle freigegeben, dies führt schließlich zur Kontraktion der Muskelzelle. Hormonsynthese. Im glatten endoplasmatischen

Retikulum der Zwischenzellen des Hoden wird als wichtigstes Steroidhormon das männliche Sexualhormon Testosteron gebildet. In den Follikelzellen der Eierstöcke entstehen Östrogene. In den Zellen des Corpus luteum wird Progesteron gebildet. Die Zellen der Nebennierenrinde sind Produzenten von Kortikoiden und Aldosteron. Stoffwechsel. Weiterhin finden wir im glatten endo-

plasmatischen Retikulum das Enzym Glukose-6Phosphatase, das Glukose-6-Phosphat zu Glukose umwandelt. Dieser Stoffwechselweg, der in Darm, Leber und Nieren abläuft, wird als Glukoneogenese bezeichnet und entspricht prinzipiell einer Umkehrung der Glykolyse. Die Glukoneogenese stellt bei Kohlenhydratmangel die Versorgung des Organismus mit Glukose sicher. Entgiftung. Das glatte endoplasmatische Retiku-

Transportfunktion. Neben der Proteinbiosynthese

in den Ribosomen hat das endoplasmatische Retikulum noch Transportaufgaben. Hierzu werden die Proteine in Membranen verpackt.

Glattes endoplasmatisches Retikulum Das glatte endoplasmatische Retikulum dient 4 der gerichteten Leitung von Lösungen, 4 der Speicherung verschiedener Stoffe, 4 der Synthese und dem Einbau von Membranphospholipiden, 4 der Synthese von Steroidhormonen, 4 der Entgiftung von Arzneimitteln und schädlichen Substanzen, die durch den Stoffwechsel produziert werden. Ionenspeicher. Das glatte endoplasmatische Retiku-

lum der Muskelzellen, das sarkoplasmatische Reti-

lum hat auch die Aufgabe der Detoxifikation von körperfremden Substanzen (Xenobiotika). Leberzellen besitzen das stark oxidative Enzym Cytochrom P 450. Dieses entgiftet Fremdstoffe, indem es die Stoffe wasserlöslich macht, sodass sie über die Nieren ausgeschieden werden können (. Übersicht 2.12). Klinik Hepatorenale Glykogenose Der angeborene Defekt des Enzyms Glukose-6Phosphatase führt zu einer speziellen Form von Glykogenspeicherkrankheit, der hepatorenalen Glykogenose. Dabei findet sich das Glykogen in Leber und Nieren angereichert. Die klinischen Folgen davon sind u. a. Hypoglykämie, Hyperlipämie, Gicht und Kleinwuchs.

30 Kapitel 2 · Zelluläre Strukturelemente

. Übersicht 2.12. Funktionen des endoplasmatischen Retikulums

2

Generelle Funktionen

Kompartimentierung, Kanalisierung, Stoffwechsel, Membrandepot

Spezielle Funktionen

Raues endoplasmatisches Retikulum: 4 Synthese von Proteinen (z. B. Kollagen, Peptidhormone, Enzyme, Membranproteine) 4 Glykosylierung 4 Hydroxylierung

Glattes endoplasmatisches Retikulum: 4 Transport von Lösungen 4 Speicherung von Stoffen (Ionen) 4 Synthese von Membranphospholipiden und Steroidhormomen 4 Glukoneogenese 4 Detoxifikation

Vorkommen

Besonders in sekretorischen Zellen

Zellen von Darm, Leber, Talgdrüsen, Nebennierenrinde, steroidhormonproduzierende Zellen der Gonaden

Als Nissl-Schollen in Nervenzellen

2.6

Golgi-Apparat

Ein Bestandteil aller Zellen ist der Golgi-Apparat (. Abb. 2.18). Er kann in einer Zelle einzeln oder mehrfach vorkommen. Der Aufbau des Golgi-Apparats ist stapelförmig. Ein in sich geschlossenes Paar von glatten Membranen bildet eine Golgi-Zisterne. Ein Stapel mehrerer flach aufeinandergeschichteter Membranen bildet die funktionelle Einheit des Golgi-Apparats: das Diktyosom. Je nach Zelltyp kann die Zahl dieser Golgi-Stapel stark variieren. Manche Zellen enthalten nur einen großen Stapel, in anderen finden sich Hunderte kleiner Stapel. Die Membranen des Golgi-Apparats werden ständig vom endoplasmatischen Retikulum nachgeliefert, wobei die Diktyosomen einen polaren Aufbau zeigen. Sie besitzen nämlich eine konvexe Bildungsseite, an der sie aus dem endoplasmatischen Retikulum neu aufgebaut werden. Diese unreife Seite, die auch dünner ist, wird cis-Seite genannt. Die gegenüberliegende konkave trans-Seite ist die Abgabeseite oder reife Seite und ist zur Plasmamembran gerichtet.

gehend gelangen lösliche Proteine und Membranteile mittels Transportvesikel in das cis-GolgiNetz. Die Proteine durchqueren in diesen Vesikeln den Stapel aufeinanderfolgender Zisternen, wobei sich die Vesikel jeweils von einer Zisterne abschnüren und mit der nächsten verschmelzen. Schließlich

2.6.1 Cis-trans-Golgi-Netzwerk Die jeweils äußerste Zisterne auf beiden Seiten des Golgi-Apparats ist an ein komplexes Netzwerk angeschlossen. Dieses besteht aus membranösen Anteilen und miteinander verbundenen Röhren und Vesikeln. Vom endoplasmatischen Retikulum aus-

. Abb. 2.18. Zwei Zisternenstapel des Golgi-Apparats. Vergrößerung 1:49.000

31 2.6 · Golgi-Apparat

verlassen die Proteine über das trans-Golgi-Netz den Golgi-Apparat. Sie wandern entweder in Richtung Zelloberfläche oder in andere Zellkompartimente.

Sortierung und Modifikation von Proteinen Man nimmt an, dass dieses cis-, mittel- und transGolgi-Netzwerk für das Sortieren der Proteine wichtig ist. Proteine, die ins cis-Golgi-Netz gelangen, werden entweder weitergeleitet oder an das endoplasmatische Retikulum zurückgeschickt. Nach der Passage des trans-Golgi-Netzes sind Proteine beispielsweise dahingehend sortiert, ob sie für Lysosomen (7 Kap. 2.7) bestimmt sind oder an die Zelloberfläche exportiert werden. ! Der Golgi-Apparat ist nicht nur Sortier- und Durchgangsstation für Proteine, sondern in ihm wird auch eine Vielzahl wichtiger kovalenter Modifikationen an den Proteinen vorgenommen. Er ist also der Ort von posttranslationalen Modifikationen.

So erfolgt die Synthese von O-gebundenen Kohlenhydratseitenketten im Golgi-Apparat durch Übertragung von Zuckern auf hydroxylierte Aminosäuren (Serin oder Threonin). Dabei wächst das Oligosaccharid an der Polypeptidkette, wobei die Zuckermonomere z. B. von UDP-N-Acetylgalaktosamin, UDP-Galaktose und CMP-N-Acetylneuraminsäure geliefert werden. Bei dieser Form der Glykosylierung werden also im Gegensatz zu N-gebundenen Zuckern keine fertigen großen Strukturen übertragen. Auch die Sulfatisierung findet teilweise im Golgi-Apparat statt. Die Kohlenhydratseitenketten von Glykoproteinen, insbesondere von solchen der extrazellulären Matrix, werden mit Sulfatgruppen versehen, andere Proteine werden an Tyrosinresten sulfatisiert. Proteine wie Albumin und Insulin erreichen den Golgi-Apparat in Form von Proproteinen und werden erst hier in ihre aktive Form überfürt. Hierzu werden Polypeptidketten abgespalten. Ein Beispiel dafür ist das Herausschneiden des C-Peptids aus Proinsulin. Auch Kohlenhydratketten der Glykoproteine erhalten im Golgi-Apparat Strukturumwandlungen. Im cis-Golgi-Netz werden drei Mannoseeinheiten von den N-gebundenen Man7(GlcNAc)2-Oligosac-

2

chariden entfernt, und im trans-Golgi-Netz werden dann wieder neue Zucker angeheftet, nämlich NAcetylneuraminsäure, N-Acetylglukosamin, Galaktose und Fukose. Als Erkennungssignal für Glykoproteine, die zu den Lysosomen transportiert werden sollen, dient ein Mannose-6-Phosphatrest. Hierzu werden N-gebundene Oligosaccharide in Position 6 einer Mannoseeinheit phosphoryliert. Im trans-Golgi-Netzwerk binden diese dann an einen membranständigen Mannose-6-Phosphat-Rezeptor (M-6-Rezeptor), der den Transportweg in die Lysosomen sicherstellt. Ist dieser Phosphorylierungsweg, der in mehreren Schritten erfolgt, gestört, kommt es beim Menschen zur unten angesprochenen Mukolipidose Typ II. Proteine, die eine N-gebundene Mannose-6-phosphathaltige Kohlenhydratseitenkette besitzen, kommen mit dem Mannose-6-Phosphat-Rezeptor in Vesikeln, die von dem nachfolgend besprochenen Clathrin ummantelt sind, fusionieren mit Endosomen und werden zu den Lysosomen transportiert. Proteine ohne Mannose-6-Phosphatgruppe werden über Exozytose an den Extrazellulärraum abgegeben (. Übersicht 2.13). . Übersicht 2.13. Der Golgi-Apparat und seine Funktion Entstehung

Aus dem endoplasmatischen Retikulum

Aufbau

Mehrere Golgi-Zisternen bilden ein Diktyosom Mehrere Diktyosomen bilden einen GolgiKomplex Polarer Aufbau mit cis-Seite (unreife Seite) und trans-Seite (Abgabeseite)

Funktion

Glykosylierung von Proteinen und Lipiden Anbau von Sulfaten an Proteine Anheftung von Fettsäuren Phosphorylierung von lysosomalen Proteinen Transport von Membran- und Sekretproteinen Bildung verschiedener funktionell unterschiedlicher Membranvesikel, wie Sekretgranula zur Exozytose Beteiligung bei der Lysosomenproduktion Membranregeneration Aufrechterhaltung des Membranflusses

32 Kapitel 2 · Zelluläre Strukturelemente

Bildung von Membranvesikeln

2

Vesikel, die sich von einer Membran abschnüren, tragen in der Regel eine charakteristische Proteinhülle. Man bezeichnet sie als coated vesicles. Man kennt mittlerweile mehrere Klassen von coated vesicles. COP II-coated vesicles transportieren Substanzen »vorwärts« vom endoplasmatischen Retikulum durch das Kompartiment zwischen endoplasmatischem Retikulum und Golgi-Apparat zum Golgi-Apparat. Dabei ist COP die Abkürzung für coated proteins. COP Icoated vesicles transportieren umgekehrt vom GolgiApparat zurück zum endoplasmatischen Retikulum. Hier sind sieben verschiedene Proteine (Coatomere) bekannt. Sie transportieren auch vom trans-GolgiNetzwerk zum cis-Golgi-Netzwerk. Clathrin-coated vesicles transportieren Substanzen vom trans-GolgiNetzwerk zu Endosomen und Lysosomen. Außerdem dienen sie im Rahmen der Endozytose dem Substanztransport von der Plasmamembran zu den Kompartimenten im Zytoplasma (s.u.) Auch sind sie beteiligt am Abtransport aus Endosomen und Lysosomen.

2.6.2 Membranvermittelte Transport-

vorgänge Neben den bisher beschriebenen Transportvorgängen gibt es noch weitere Ein- bzw. Ausschleusmechanismen, die dazu dienen, vor allem größere feste Partikel und Lösungströpfchen zu transportieren. Die Membran kann nämlich durch Ein- und Ausbau weiterer Glieder rasch wachsen und wieder zerfallen. Durch Einschluss in bläschenförmige Abschnürungen können also Stoffe in Membranvesikeln in die Zelle hinein transportiert oder aus ihr entfernt werden. Beim Transport in die Zelle spricht man von Endozytose. Werden Stoffe (Sekretgranula, Hormone, Exkrete) von der Zelle in das umgebende Medium abgegeben, so nennt man das Exozytose. Bei der Endozytose unterscheidet man zwischen der Aufnahme größerer geformter Partikel, die man als Phagozytose bezeichnet. Das Einbringen von echt oder kolloidal gelösten Substanzen wird als Pinozytose bezeichnet (. Abb. 2.19).

Klinik Diabetes mellitus Durch eine gestörte Funktion von rauem endoplasmatischem Retikulum und Golgi-Apparat kommt es zu einer mangelhaften Umwandlung von Proinsulin in Insulin in den Insulin produzierenden, sekretorischen Zellen des Pankreas (β-Zellen der Langerhans-Inseln). Dadurch kommt es zum klinischen Bild des Diabetes mellitus (bezüglich der Einzelheiten sei auf Lehrbücher der Biochemie verwiesen).

Mukolipidose II Ein weiteres Beispiel für eine Funktionsstörung des Golgi-Apparats ist die Mukolipidose Typ II (IZellen-Krankheit). Bereits im cis-Golgi-Netzwerk erhalten Glykoproteine, die zu den Lysosomen transportiert werden sollen, eine Mannose-6Phosphatgruppe. Störungen in der Phosphorylierung der Mannose führen dazu, dass die Lysosomen die benötigten lysosomalen Enzyme nicht mehr erhalten. Stattdessen werden sie in Vakuolen im Zytoplasma gespeichert, was zu diesem Krankheitsbild führt.

. Abb. 2.19. Transportmechanismen der Zelle durch die Zytoplasmamembran

33 2.6 · Golgi-Apparat

Exozytose Konstitutive Exozytose. Aus dem trans-Golgi-Netz

schnüren sich laufend Vesikel ab, sodass ein konstanter Fluss zur Plasmamembran besteht. ! Die konstitutive Exozytose befördert also ständig Proteine, die ausgeschieden werden sollen, zur Zelloberfläche. Man nennt dies Sekretion.

Dieser Vorgang führt dazu, dass die freigesetzten Moleküle sich teilweise an der Zelloberfläche anheften können, andere wandern in die extrazelluläre Matrix (7 Kap. 2.1) und wieder andere diffundieren als Nahrung oder als Signal für andere Zellen in extrazelluläre Flüssigkeiten. Da alle Vesikel membranverpackt sind, werden durch die Verschmelzung der Vesikel mit der Plasmamembran ständig neu hergestellte Lipide und Proteine als Baumaterial für die Zytoplasmamembran zur Verfügung gestellt. So kann die Plasmamembran wachsen, was von Bedeutung ist, wenn die Zelle sich beispielsweise in Vorbereitung der Teilung vergrößern muss. Dabei unterliegt der gesamte Prozess zwei Voraussetzungen: 4 die Vesikelmembran muss die Plasmamembran erkennen, 4 die beiden Membranen müssen fusionieren. Hier scheinen Rezeptoren eine Rolle zu spielen, die für das Andocken und die Fusion verantwortlich sind und sich als transmembrane Rezeptoren sowohl auf der Vesikelmembran als auch auf der Plasmamembran befinden. Beispiele für die konstitutive Exozytose sind die Brustdrüsenzellen oder die der Schweißdrüsen. Durch Abschnürung von Vesikeln oder Abspaltung von ganzen Zellteilen (Apozytose) werden die Milchfetttropfensekretion und die Duftsekretion bewerkstelligt. Regulierte Exozytose. Zusätzlich zu der in allen Eu-

karyoten ständig ablaufenden konstitutiven Exozytose weisen Zellen, die auf die Sekretion spezialisiert sind, die regulierte Exozytose auf. In diesen Zellen werden große Mengen bestimmter Verbindungen, wie beispielsweise Hormone, Enzyme oder Schleim, produziert und in sekretorischen Vesikeln gespei-

2

chert. Diese Vesikel sammeln sich dann in der Nähe der Plasmamembran und werden erst nach einem externen Signal ausgeschüttet. Als Beispiel seien hier die Pankreaszellen erwähnt, die nach Anstieg des Blutzuckers (Signal) Insulin ausschütten. Proteine, die für den sekretorischen Weg bestimmt sind, haben durch die ionischen Bedingungen, die im trans-Golgi-Netz herrschen (saurer pH-Wert und hohe Ca2+-Konzentration), die besonderen Oberflächeneigenschaften, sich zusammenlagern zu können. Diese selektive Aggregation ermöglicht ein Verpacken von sekretorischen Proteinen in Vesikeln mit einer bis zu 2.000-mal höheren Konzentration als im Golgi-Lumen. ! Somit können Zellen nach entsprechendem Signal durch regulierte Exozytose sofort eine große Menge des entsprechenden, in Vesikeln gespeicherten Proteins, ausschütten.

Proteine, die auf dem konstitutiven Weg ausgeschieden werden, lagern sich dagegen nicht zusammen und liegen daher in den Vesikeln in nicht so hoher Konzentration vor. Ausschleusung von Viren. Als besondere Form der Exozytose kann die Ausschleusung von Viruspartikeln betrachtet werden, nämlich dann, wenn sie als aktive Leistung der Wirtszelle erfolgt und nicht über eine Lyse der ganzen Zelle. Mineralisation. Auch für die Mineralisation von Knochen sind von einer Phospholipidmembran umschlossene Matrixvesikel verantwortlich. Diese enthalten Calcium in Komplexbildung mit basischen Proteinen oder Phospholipiden und darüber hinaus auch die Enzyme Pyrophosphatase und alkalische Phosphatase. Die Matrixvesikel werden auf den Kollagenfasern verankert, und ihr Inhalt kristallisiert aus. Hierfür ist ein Protein aus der Gruppe der Annexinproteine verantwortlich, welches in den Matrixvesikeln vorhanden ist. Annexine binden an Phospholipide in der Gegenwart von Calcium.

34 Kapitel 2 · Zelluläre Strukturelemente

Klinik Tetanus und Botulismus

2

Das Bakterium Clostridium tetani produziert das Tetanustoxin, das die Exozytose von Neurotransmittern aus Neuronen hemmt. Dies geschieht durch eine Bindung an Synaptobrevin, das bei der Neurotransmitterausschüttung beteiligt ist, was dessen proteolytische Spaltung zur Folge hat. Dadurch wird die Ausschüttung von Neurotransmittern an inhibitorischen Synapsen der spinalen Motoneuronen gehemmt und somit die Signalübertragung für die Hemmung der Motoneurone blockiert. Als Folge tritt eine spastische Lähmung mit Krämpfen auf. Das Botulinumtoxin wird durch Clostridium botulinum produziert. Bei einer Vergiftung wird die Verschmelzung acetylcholinhaltiger synaptischer Vesikel mit der synaptischen Membran gestört. Hierdurch wird die Acetylcholinfreisetzung z. B. an der motorischen Endplatte gehemmt, schlaffe Lähmungen sind die Folge.

der Auswahl und Aufnahme der spezifisch zu befördernden Moleküle keine Rolle. Diese Aufgabe übernimmt eine zweite Klasse von Hüllproteinen in den clathrinbedeckten Vesikeln, die Adaptine. Sie binden einerseits die Clathrinhülle an die Vesikelmembran, andererseits sind sie an der Auswahl der zu transportierenden Moleküle beteiligt. Adaptine unterstützen das Einfangen der zu transportierenden Frachtmoleküle, indem sie den Frachtmolekül-FrachtrezeptorKomplex binden. Die so ausgewählten Frachtmoleküle werden in das Lumen der neugeformten, clathrinbedeckten Vesikel eingegliedert. Dabei gibt es wenigstens zwei Arten von Adaptinen, nämlich solche, die Frachtrezeptoren der Plasmamembran binden, also an der Endozytose beteiligt sind und solche, die intrazellulären Transportvorgängen dienen und Frachtrezeptoren im Golgi-Apparat binden. Sekunden nach der Aufnahme verlieren diese Vesikel ihre Ummantelung und fließen mit anderen intrazellulären Vesikeln zusammen. Dabei kann man bei den Endosomen zwei Gruppen unterscheiden. Frühe Endosomen liegen an der Zellperipherie, späte Endo-

Endozytose Durch die Verlagerung von Rezeptormolekülen an die Zellmembran können Substanzen in hoher Konzentration aufgenommen werden (spezifische Endozytose). Die hierbei beteiligten Zellmembranregionen stehen mit intrazellulären Aktinfilamenten (7 Kap. 2.10) in Verbindung. Der erste Schritt der Endozytose ist eine Einstülpung der Zellmembran (coated pit). Diese Einstülpung wird immer größer und wird schließlich als Membranvesikel (Endosom) in das Innere der Zelle abgegeben. Die membranumschlossenen endozytierten Substanzen sehen im Elektronenmikroskop wie ummantelte Vesikel aus. Man bezeichnet sie daher auch als coated vesicles. Sie entsprechen einer Ansammlung von Komplexen aus Rezeptoren mit ihrer spezifischen Substanz. Im Querschnitt besitzt die Ummantelung an ihrer Außenseite einen Kranz regelmäßiger Stäbchen oder Zacken. Diese stammen von der ursprünglichen Membraninnenseite und bestehen häufig, zumindest ist dies am besten untersucht, aus dem Protein Clathrin, das wie ein Korbgeflecht die Vesikel umgibt (. Abb. 2.20). Dabei spielt Clathrin selbst bei

. Abb. 2.20. Endozytose, rezeptorvermittelte Bindung von Molekülen an der Membranaußenseite durch Rezeptoren und Abschnürung von coated vesicles, die von Clathringeflecht umgeben sind

35 2.6 · Golgi-Apparat

somen eher in der Nähe des Zellkerns. Man kann beide anhand ihres pH-Wertes, ihrer Proteinzusammensetzung und ihrer Schwimmdichte unterscheiden, mit deren Hilfe man sie in einem Dichtegradienten in unterschiedlichen Fraktionen isolieren kann. Die Rezeptoren, die endozytotisch aufgenommen werden, werden in Vesikeln zu einem frühen Endosom verbracht, welches als Sortierstation dient. Hier werden die Rezeptoren und die Frachtmoleküle in der saueren Umgebung der Endosomen getrennt. Die Rezeptoren reichern sich dann in besonderen, röhrenförmigen Bereichen der frühen Endosomen an, die als Recyclingzentren dienen. Mit Vesikeln, die sich von diesen Röhren abschnüren, werden die Rezeptoren wieder an die Plasmamembran transportiert, wo sie an einem weiteren Endozytosezyklus teilnehmen können. Die freigesetzten Frachtmoleküle reichern sich in einem anderen Sortierkompartiment an und werden an ein spätes Endosom weitergegeben. Schließlich gelangen sie in ein Lysosom, wo dann die letzte chemische Abwandlung stattfindet. ! Mit Hilfe der Endozytose können Verbindungen also intrazellulär lokal und selektiv angereichert werden. Sie ist somit die Umkehrung der Exozytose.

Transport durch Endozytose. Zum Transport von Cholesterol im Blut ist dieses an low-density-Lipoproteine (LDL) gebunden. Die Cholesterolaufnahme der Zelle in Form dieser LDL geschieht auch über coated vesicles. Nach der Endozytose wird das Cholesterol im Vesikel über eine Substrat-Rezeptor-Bindung angereichert. Bei der familiären Hypercholesterinämie ist diese Anreicherung durch ein defektes Gen für das LDL-Rezeptorprotein gestört. Die Endozytose ist behindert, LDL sammelt sich im Blut an, dies führt letztlich zur Einlagerung in der Gefäßwand bei Arteriosklerose. Bei der Eisenaufnahme in die Zelle mittels Endozytose spielt das Glykoprotein Transferrin eine Rolle, das zwei Atome 3-wertigen Eisens binden kann. Das Protein ist für den Eisentransport im Plasma verantwortlich, wobei die Aufnahme in die Zelle durch einen Tranferrinrezeptor vermittelt wird, der zusammen mit Transferrin die Aufnahme von Eisen bewerkstelligt. Durch Viren wird die rezeptorvermittelte Endozytose missbraucht: So erhält z. B. das Influenzavirus auf diese Weise Zutritt zu den Zellen.

2

Wiedergewinnung der Rezeptoren. Im Inneren der

Endosomen liegt ein saureres Milieu vor als im umgebenden Zytosol oder in der extrazellulären Flüssigkeit. Unter diesen Bedingungen dissoziiert der Rezeptor vom Substrat. Der Rezeptor wird dann in Transportvesikeln zur Plasmamembran zurückgebracht und kann dort wiederverwendet werden. Dies ist auch beim LDL-Rezeptor der Fall. Das LDL wird in den Lysosomen abgebaut (7 Kap. 2.7). Andere Rezeptoren werden nicht zur Plasmamembran zurückgebracht, sondern ebenfalls in den Lysosomen verdaut.

Phagozytose Die Endozytose von großen Partikeln ist die Aufgabe spezifischer Phagozytosezellen, die eine wichtige Rolle bei der Abwehr von Bakterien spielen. Treffen die Membranrezeptoren dieser amöboid beweglichen Fresszellen (Monozyten, Makrophagozyten und Granulozyten) auf ein Bakterium, das im Zuge einer körpereigenen Immunantwort mit speziellen Antikörpern beladen wurde, so verbinden sie sich mit diesen Antikörpern. Die Zellmembran der Fresszelle umschließt das Bakterium (Phagosom), das dann mit Hilfe von Hydrolasen aus den Lysosomen verdaut wird. So finden sich an Entzündungsherden große Mengen solcher Phagozyten.

Transzytose Häufig müssen auch Verbindungen, vor allem Flüssigkeiten, durch Zellen hindurchgeschleust werden. Dies trifft vor allem für Zellen zu, die durch Flüssigkeitsschichten von anderen Geweben getrennt sind. Dabei handelt es sich gewissermaßen um die Kombination von Endozytose und Exozytose, für die man den Begriff Transzytose eingeführt hat. Als Sonderform der Transzytose sollen hier die Caveolae erwähnt werden. Es wurde bereits beschrieben, dass zu Beginn der Endozytose eine Einstülpung der Zellmembran ausgebildet wird. Dabei kommt es bei der Anlagerung von Clathrinmolekülen zur Ausbildung einer clathrinummantelten Grube (coated pit). Diese Strukturen mit einem Durchmesser von 50–100 nm können auch durch ein Gerüst aus Caveolinprotein auf zytoplasmatischer Seite stabilisiert werden. Man bezeichnet sie dann als Caveolae. Auch in ihnen sind bestimmte Rezeptorproteine angereichert und sie haben

36 Kapitel 2 · Zelluläre Strukturelemente

Transportfunktion, sowohl bei der Endozytose als auch bei der Transzytose.

2

sie sortiert, in Transportvesikel verpackt und über Endosomen zu den Lysosomen verbracht.

Einteilung der Lysosomen 2.7

Lysosomen

Lysosomen sind Zellorganellen, die von einer Elementarmembran umhüllt sind und zahlreiche freie oder membrangebundene Enzyme enthalten, vor allem aber saure Hydrolasen und Phosphatasen. All diese Enzyme arbeiten in den Lysosomen unter sauren Bedingungen bei einem pH-Wert zwischen 4,5 und 5. Die Lysosomenmembran bewahrt das Zytosol, dessen pH-Wert bei etwa 7,2 liegt, vor diesen zerstörerischen Enzymen. Auch sonst zeigt die Lysosomenmembran einige Besonderheiten. Sie besitzt Transportproteine, um die Abbauendprodukte wie Aminosäuren und Zucker ins Zytosol zu transportieren, damit sie weiter verwendet oder ausgeschieden werden können. Weiterhin ist eine membranständige Protonenpumpe vorhanden, die H+-Ionen von außen nach innen pumpt. Diese garantiert das saure Milieu in den Lysosomen. Bei Gicht und Silikose kann die Lysosomenmembran durch Harnsäure bzw. Silikatkristalle geschädigt werden. Die dadurch bedingte Freisetzung von lysosomalen Enzymen führt zu Entzündungsreaktionen.

2.7.1 Intrazelluläre Verdauung ! Die Lysosomen sind maßgeblich an intrazellulären Verdauungsvorgängen beteiligt, wobei das zu verdauende Material sowohl intrazellulärer als auch extrazellulärer Herkunft sein kann. Dabei sind die Lysosomen zugleich »Müllabfuhr, Recyclingstation und Deponie«.

Die Verdauungsenzyme und lysosomalen Membranproteine werden im endoplasmatischen Retikulum synthetisiert und im Golgi-Apparat zum trans-Golgi-Netz transportiert. Vorher werden sie, wie erwähnt, mit einer speziellen phosphorylierten Zuckergruppe, dem Mannose-6-Phosphat etikettiert, damit sie im trans-Golgi-Netz von einem geeigneten Rezeptor, dem Mannose-6-Phosphat-Rezeptor, erkannt werden können. Durch dieses Signal werden

Lysosomen entstehen aus Diktyosomen des GolgiApparats. Dabei bezeichnet man Lysosomen, die noch nicht mit phagozytiertem Material zur Verdauung zusammengeflossen sind, als primäre Lysosomen. Nach dem Zusammenfließen mit dem zu verdauenden Material (Phagosomen) bezeichnet man sie als sekundäre Lysosomen. Weiterhin kann man zwischen Autophagolysosomen (. Abb. 2.21) und Heterophagolysosomen unterscheiden. Autophagolysosomen verdauen von der Zelle selbst gebildetes Material (z. B. Mitochondrien, Ribosomen, Membranteile und überschüssige Hormonvesikel). Man bezeichnet dies als Autophagie, ein Prozess, der bei der Erneuerung von Zellstrukturen eine wichtige Rolle spielt. Autophagie kann aber auch ein Prozess der Energiegewinnung für die Zelle sein. In Leberzellen von Säugetieren durchläuft etwa alle zehn Minuten ein Mitochondrium die Autophagie. Tritt ein Nährstoffmangel auf, beobachtet man diesen Vorgang wesentlich häufiger. Die Zellen verschaffen sich Energie zum Lebensunterhalt, indem sie die eigenen Organellen zerstören. Heterophagolysosomen wie beispielsweise die Granula der neutrophilen Granulozyten bauen dagegen zellfremdes, phagozytiertes Material ab (. Übersicht 2.14). Da Lysosomen keine Lipasen (fettspaltende Enzyme) besitzen, können die Lipide von Membranresten nicht abgebaut werden. Solche Restkörper (Residualkörper oder Telolysosomen) kommen besonders häufig in Leber-, Herzmuskel- und Ner-

. Abb. 2.21. Sekundäres Lysosom, das zelleigene Mitochondrien zum Abbau enthält

37 2.7 · Lysosomen

2

. Übersicht 2.14. Einteilung der Lysosomen Entstehung

Diktyosomen des Golgi-Apparats

Formen 4 Primäre Lysosomen

Nicht mit phagozytiertem Material zusammengeflossen

4 Sekundäre Lysosomen

Mit phagozytiertem Material (Phagosomen) zusammengeflossen

4 Autophagolysosomen

Abbau zelleigenen Materials

Rückgewinnung verwertbaren Materials

4 Heterophagolysosomen

Abbau zellfremden Materials

Einschluss nicht abbaubarer Reste in Restkörper

Aufgabe

Verdauung von zelleigenem und zellfremdem Material mit ca. 40 lysosomalen Enzymen Hydrolytische Spaltung von Makromolekülen

venzellen vor. Sie besitzen eine braune Farbe und ihre Zahl steigt mit zunehmendem Alter. Man bezeichnet sie als Lipofuszin oder Alterspigment.

Spezielle Funktionen Lysosomale Enzyme aktivieren auch Enzyme und Hormone. So werden inaktive Vorstufen von Hormonen enzymatisch in aktive Formen überführt. Dies trifft z. B. für das Schilddrüsenhormon Thyreoglobulin zu, das in Tri- und Tetrajodthyronin überführt wird. Lysosomale Enzyme sind auch in der Lage Knorpel und Knochen abzubauen. Sie spielen sowohl Klinik Erkrankungen durch Defekte lysosomaler Enzyme Etliche genetisch bedingte Defekte lysosomaler Enzyme führen zu zahlreichen unterschiedlichen Krankheitsbildern: Dies sind die Mukopolysaccharidosen, die Oligosaccharidosen, die Mukolipidosen, die Sphingolipidosen mit Tay-Sachs-Krankheit, Niemann-Pick-Krankheit Typ I und GaucherKrankheit sowie die Lipidspeicherkrankheiten. Lysosomale Transportdefekte und lysosomale Speicherkrankheiten sind die Ursache für die Glykogenose II und die Zystinose.

beim organischen Zelltod als auch beim entwicklungsbedingten Zellabbau eine Rolle. So garantieren sie die Rückbildung des Uterus nach der Schwangerschaft, die Beseitigung unbefruchteter Eizellen, Umbauvorgänge von Müller- und Wolff-Gang etc. Auch das Akrosom des Spermiums stammt ursprünglich von einem Lysosom ab. Die Akrosomenreaktion, die durch die Freisetzung von Hyaluronidase dem Spermium seinen Weg durch die Zona pellucida zum Ei und sein Eindringen ermöglicht, ist letztlich eine lysosomale Reaktion.

vergrößerung, Schwerhörigkeit und geistiger Retardierung. Der Vererbungsmodus ist für die meisten Formen autosomal-rezessiv, für eine Form X-chromosomal-rezessiv.

Glykogenose II Bei der Glykogenose II betrifft der Defekt die lysosomale 1,4-Glukosidase. Dadurch finden sich Glykogenspeicherungen in der hypertrophierenden Herzmuskulatur, in Leber, Niere, Schilddrüse, Milz und Skelettmuskulatur. Die Betroffenen sterben gewöhnlich vor Ende des ersten Lebensjahres.

Mukopolysaccharidosen

Zystinose

Durch den Defekt verschiedener lysosomaler Enzyme werden Mukopolysaccharide im Urin ausgeschieden und in Lysosomen gespeichert. Träger dieser Erkrankung leiden an einem allmählich zunehmenden, mehr oder weniger grotesken Aussehen mit dicken Lippen, Gelenkkontrakturen, Minderwuchs, Hornhauttrübung, Leber- und Milz-

Bei der Zystinspeicherkrankheit erfolgt die Anreicherung der Aminosäure Zystin infolge der Blockierung ihres Abbaus in den Lysosomen von Knochenmark, Leber, Milz, Lymphknoten sowie der Niere und im Auge. Diese Erkrankung tritt in einer infantilen, juvenilen und benignen Form mit unterschiedlichen klinischen Folgen auf.

38 Kapitel 2 · Zelluläre Strukturelemente

2.8

2

Peroxisomen

Ähnlich wie die Lysosomen sind auch die Peroxisomen (microbodies . Abb. 2.22) membranumschlossene Vesikel mit einem Durchmesser von 0,1 bis 1,0 μm. Ihr Inhalt ist homogen oder fein granuliert, oft findet man kristalline Einschlüsse in der Matrix. Microbodies sind multifunktionelle Organellen mit mehr als 50 Enzymen. Ihre Aufgabe ist etwa die Oxidation sehr langer Fettsäureketten (wie Prostaglandine und Leukotrine) und die Synthese von Plasminogenen. Bei dieser Gruppe von Phospholipiden ist eine der Fettsäuren über eine Etherbindung statt über eine Esterbindung mit Glyzerin verknüpft. Man findet Peroxisomen häufig in Myelinscheiden der Axone im Gehirn. Weiterhin synthetisieren sie Steroide. Ihren Namen Peroxisomen tragen sie, weil in ihnen Wasserstoffperoxid (H2O2) hergestellt und abgebaut wird. Die Synthese erfolgt mit peroxisomalen Enzymen wie der UratOxidase, der Glykolat-Oxidase und der Aminosäureoxidase, die ihre Substrate mit molekularem Sauerstoff oxidieren. Der Abbau erfolgt schnell über das Enzym Katalase, welches in hoher Konzentration vorkommt.

! Peroxisomen entstehen ausschließlich durch Wachstum und Teilung aus vorhandenen Peroxisomen.

Ursprünglich hatte man angenommen, dass Peroxisomen auch durch Ausknospung von Vesikeln vom endoplasmatischen Retikulum entstehen. Allerdings sprechen verschiedene Beobachtungen gegen dieses Modell. Alle Enzyme der Peroxisomen müssen aus dem Zytosol importiert werden, da sie im Gegensatz etwa zu den Mitochondrien keine DNA enthalten. Diese entsprechenden Proteine tragen ein Erkennungssignal, das wiederum von Rezeptorproteinen auf der Außenseite der Peroxisomen erkannt wird (. Übersicht 2.15). Klinik Störungen der Peroxisomen Funktionsuntüchtige Peroxisomen verursachen eine schwere genetische Erkrankung, das Zellweger-Syndrom (zerebrohepatorenales Syndrom). Das Syndrom führt zu schweren pathologischen Veränderungen wie extreme Muskelhypotonie mit schwachen Saug- und Schluckreflexen beim Säugling, sensoneurinale Schwerhörigkeit, Chorioretinopathie, Nierenzysten, epileptische Anfälle, Vergrößerung von Leber und Milz sowie psychomotorische Retardierung. Andere genetische Erkrankungen, die auf Störungen der Peroxisomen beruhen, sind die infantile Refsum-Krankheit und die neonatale Form der Adrenoleukodystrophie.

. Übersicht 2.15. Peroxisomen und ihre Funktion

. Abb. 2.22. Elektronenmikroskopische Aufnahme verschiedener microbodies. Zwei von ihnen enthalten ein kristallines Zentrum

Entstehung

Aus vorhandenen Peroxisomen

Inhaltsstoffe

Enzyme, die Wasserstoffperoxid bilden (Urat-Oxidase, Glykolat-Oxidase, Aminosäureoxidase) und zu Wasser und Sauerstoff spalten (Katalasen)

Funktion

Abbau von Wasserstoffperoxid, Oxidation langer Fettsäureketten, Synthese von Plasminogenen und Steroiden Beteiligung beim Lipidstoffwechsel und Abbau von Purinbasen

Vorkommen

Besonders in Leber- und Nierenzellen

39 2.9 · Mitochondrien

2.9

Mitochondrien

! Die Mitochondrien (. Abb. 2.23) sind die »Kraftwerke« der Zelle. Sie versorgen die Zelle mit der universellen »Energiewährung«, dem ATP (Adenosintriphosphat), und werden folglich in jeder Zelle angetroffen.

2

2.9.1 Aufbau Mitochondrien werden von zwei Elementarmembranen mit spezifischen Proteinen umgeben, einer äußeren Membran, die die Mitochondrien gegen die Umgebung abschließt, und einer inneren Membran.

Äußere Membranen Die Zahl der Mitochondrien pro Zelle und ihre Lage hängt vom Zelltyp und der Zellfunktion ab. So finden wir z. B. Muskelzellen, in denen einige wenige Mitochondrien als verzweigtes System die Zellen durchziehen. In stoffwechselaktiven Leberzellen finden wir dagegen bis zu 5.000 Mitochondrien.

Die äußere und die innere Membran sind in Aufbau und Eigenschaften sehr unterschiedlich. Die äußere Membran besteht zu etwa 50% aus Lipiden und enthält Enzyme, die an sehr unterschiedlichen Aktivitäten wie der Oxidation von Adrenalin, dem Abbau von Tryptophan und der Verlängerung der Fettsäuren beteiligt sind. Sie besitzt Homologien zu einer äußeren Membran, wie man sie bei bestimmten Bakterien als Bestandteil der Zellwand findet.

a

b

c . Abb. 2.23 a–c. Aufbau eines Mitochondriums. a Räumliches Strukturschema. b Elektronenmikroskopische Aufnahme.

Vergrößerung 1:53.000 . c Replizierende mtDNA aus Rattenleberzellen. Pfeile bezeichnen die Replikationsgabeln

40 Kapitel 2 · Zelluläre Strukturelemente

2

Beide Mitochondrienmembranen enthalten viele Moleküle des Transportproteins Porin. Dies sind integrale Proteine mit einem Kanal im Inneren, der von einer β-Faltblattstruktur umgeben ist. Die Porine können abhängig von den Bedingungen in der Zelle reversibel geschlossen werden. Bei geöffneten Porinkanälen ist die äußere Membran permeabel für ATP, NAD und Coenzym A, was für den Energiestoffwechsel des Mitochondriums essentiell ist.

Innere Membran Die innere Membran ist in Form von Röhren (Tubuli-Typ), Falten (Cristae-Typ) oder in anderer Weise in den Innenraum (der Matrix) gefaltet. Dabei ist der Cristae-Typ der häufigste, seltener findet man den Tubuli-Typ (z. B. in Zellen der Nebennierenrinde). Die Faltung dient hierbei einer reversiblen Oberflächenvergrößerung der inneren Membran. Dadurch entstehen zwei verschiedene Kompartimente: 4 Der Intercristaeraum zwischen den beiden Elementarmembranen und 4 der von der inneren Elementarmembran umschlossene Matrixraum.

kungen von Komponenten, die für die ATP-Synthese benötigt werden.

Matrixraum Der Matrixraum ist gekennzeichnet durch einen außerordentlich vielfältigen Enzymgehalt und 2-6 zirkuläre DNA-Moleküle. Man bezeichnet diese DNA als mitochondriale DNA (mtDNA). Die mtDNA, bei menschlichen Zellen 16.569 Nukleotidpaare lang, umfasst 37 Gene und enthält die Erbinformation für 13 Proteine der Atmungskette, deren Synthese im Mitochondrium selbst abläuft. Weiterhin kodiert die mtDNA für 2 Arten von rRNA, die zusammen mit ribosomalen Proteinen die spezifischen mitochondrialen Ribosomen (70 S-mt-Ribosomen) bilden. Schließlich kodiert die mtDNA noch 22 tRNA-Arten, die für die Synthese der mitochondrialen Proteine ausreichen. ! Da sie ihre eigene DNA und ihre eigenen speziellen Ribosomen besitzen sind die Mitochondrien in der Lage, sich unabhängig vom Zellzyklus zu vermehren.

ATP-Synthese. Mit der ATP-Synthese nehmen die Mi-

Die Innenmembran enthält mehr als 100 verschiedene Polypeptide und besitzt ein sehr hohes Protein-Lipid-Verhältnis (etwa ein Proteinmolekül pro 15 Phospholipide). In ihr finden sich große Mengen des Phospholipids Cardiolipin (Diphosphatidylglyzerin). Dieses ist auch für die bakterielle Plasmamembran charakteristisch, aus der wahrscheinlich die innere Mitochondrienmembran (7 Kap. 1.3) hervorgegangen ist. Sie ist im Gegensatz zur äußeren Zellmembran hochgradig impermeabel, und praktisch alle Moleküle und Ionen benötigen spezielle Membrantransporter, um in die Matrix zu gelangen. Mehrere Proteine der inneren Mitochondrienmembran sind an der Aufnahme und Freisetzung von Calcium-Ionen beteiligt, welche bedeutende Auslöser für zelluläre Aktivitäten sind. Die Mitochondrien und das endoplasmatische Retikulum sind an der Regulation der Ca2+-Konzentration im Zytosol beteiligt. Die innere Mitochondrienmembran ist entscheidend für die bioenergetischen Aktivitäten des Mitochondriums. Die Strukturen beider Mitochondrienmembranen steuern die Wechselwir-

tochondrien eine sehr zentrale Stellung im Stoffwechsel ein. Die verschiedenen Nahrungsstoffe werden zunächst im Zytoplasma abgebaut. Dabei entsteht eine relativ kleine Zahl von Stoffwechselzwischenprodukten, die in die Mitochondrien transportiert und dort oxidiert werden (Endoxidation). Die Enzyme der Endoxidation sind als Multienzymkomplex in der Atmungskette zusammengeschlossen. Diese Enzymkomplexe sind als elektronentransportierende Partikel (Elementarkörperchen) auf der Innenseite der inneren Mitochondrienmembran sichtbar. Die Oxidation von H2 zu H2O ist an den Aufbau von ATP gekoppelt. In der Atmungskette sind an drei Stellen ATP-bildende Enzymkomplexe angehängt. An diesen Stellen wird durch den Elektronentransport Energie frei, die die Bildung von ATP aus ADP und Pyrophosphat ermöglicht. Wegen der funktionellen Verknüpfung der biologischen Oxidation mit dem ATP-Aufbau wird dieser Vorgang auch als oxidative Phosphorylierung bezeichnet. Weitere Stoffwechselfunktionen. Nicht nur an der

inneren Membran, auch in der Matrix finden sich

41 2.9 · Mitochondrien

2

. Übersicht 2.16. Mitochondrien und ihre Funktion Entstehung

Teilung und damit zytoplasmatische Vererbung

Aufbau

1–5 μm lang 2 Elementarmembranen trennen Intercristaeraum und Matrixraum 2–6 zirkuläre DNA-Moleküle

Genetische Information

mtDNA kodiert: 4 13 mitochondriale Proteine der Atmungskette 4 2 Arten von rRNA für mitochondriale Ribosomen 4 22 Arten von tRNA für mitochondriale Proteinsynthese

Funktion

Atmungskette und damit verbundene Synthese von ATP (oxidative Phosphorylierung) Zitratzyklus Fettsäureabbau (β-Oxidation)

Vorkommen

In allen Zellen, angereichert in Zellen mit starkem Energieverbrauch, wie Herzmuskelzellen, Nierentubuli, Leberzellen, Spermien

wichtige Enzyme, die am Zitratzyklus und beim Fettsäureabbau (β-Oxidation) beteiligt sind (. Übersicht 2.16). Der Zitratzyklus stellt die Ausgangsprodukte für die biologische Oxidation zur Verfügung, nämlich das zu Beginn des Zyklus entstehende Acetyl-CoA, das Oxalacetat und das α-Ketoglutarat. Klinik Mitochondriale Störungen Bei genetisch bedingten mitochondrialen Erkrankungen entspricht die Vererbung nicht den Mendelschen Regeln, da sie rein mütterlich ist. Da bei der Zellteilung auch die Mitochondrien verdoppelt werden, es aber keinen Sortiermechanismus gibt, der festlegt, welche Mitochondrien in welche Tochterzelle gelangen, ist die Verteilung rein zufällig. Man bezeichnet dies als Heteroplasmie. Also können mutierte und nichtmutierte Mitochondrien in verschiedenen Häufigkeiten in eine Zelle gelangen. Dies trifft auch auf die Eizellen zu. Die klinischen Merkmale der Mitochondriopathien umfassen neben der geistigen und psychomotorischen Retardierung eine vielfältige Symptomatik, die nicht spezifisch ist. Nach der biochemischen Klassifizierung unterscheidet man 5 verschiedene Krankheitsgruppen: 4 Störungen des Substrattransports (gestörter Transport von langkettigen Fettsäuren durch die innere Membran),

Eine weitere Aufgabe des Zitratzyklus ist sein Beitrag zur Aufrechterhaltung anderer Stoffwechselwege, wie der Glukoneogenese. Der Fettsäureabbau liefert Wasserstoffatome für die Atmungskette und AcetylCoA für den Zitratzyklus.

4 Störungen im Substratumsatz (Defekte des Pyruvat-Dehydrogenase-Komplexes), 4 Störungen des Zitratzyklus, 4 Störung der Kopplung zwischen Substratoxidation und der Phosphorylierung von ADP zu ATP, 4 Störung der Atmungskette. Eine mitochondriale Erkrankung ist die mitochondriale Enzephalomyopathie mit Laktatazidose und schlaganfallähnlichen Episoden (MELAS). Durch die Beteiligung von Nervenzellen im Gehirn werden epilepsieartige Anfälle, vorübergehende Lähmungen und geistiger Verfall verursacht, zusätzlich kommt es zur Muskelschwäche und Anreicherung von Laktat. Ein weiteres Beispiel ist die Lebersche heriditäre Nervus-opticus-Atrophie. Hier handelt es sich um eine dauernde oder vorübergehende Erblindung durch Atrophie des Sehnervs.

42 Kapitel 2 · Zelluläre Strukturelemente

2.10

2

Zytoskelett

Eukaryotische Zellen haben verschiedene Formen und ein hohes Maß an innerer Organisation. Sie können ihre Form und die Position ihrer Organellen innerhalb der Zelle verändern, häufig sogar Bewegungen durchführen. Diese Funktionen werden durch ein komplexes Netzwerk von Proteinfilamenten im Zytoplasma ermöglicht, dem Zytoskelett. Die beiden wichtigsten Typen von Proteinstrukturen des Zytoskeletts sind die Aktinfilamente (Mikrofilamente) und die Mikrotubuli. Beide sind aus globulären Proteinuntereinheiten aufgebaut, die sehr schnell und kurzfristig gebildet werden. Eine dritte Klasse von Proteinfilamenten, die intermediären Filamente, gibt es ebenfalls in den meisten tierischen Zellen. Sie bestehen aus fibrillären Proteinuntereinheiten und sind viel beständiger als die meisten Aktinfilamente und Mikrotubuli. Zusätzlich zu den drei Haupttypen von Proteinfilamenten enthält das Zytoskelett viele verschiedene zusätzliche Proteine. Sie verbinden Filamente entweder untereinander oder mit anderen Zellkomponenten wie der Plasmamembran, oder beeinflussen die Geschwindigkeit und das Ausmaß der Filamentpolymerisation. ! Zur Auslösung von Bewegungen interagieren spezifische Proteine mit Proteinfilamenten. Die beiden bekanntesten Prozesse dieser Art sind die Muskelkontraktion, die auf Aktinfilamenten beruht, und der Zilienschlag, der durch Mikrotubuli bedingt ist.

toskeletts legt die Lage der Zellorganellen fest und steuert intrazelluläre Transportprozesse.

Aufbau der Mikrotubuli Mikrotubuli sind aus globulären Tubulinmolekülen aufgebaut. Diese Dimere bestehen aus zwei ähnlichen Proteinen, die als α- und β-Tubulin bezeichnet werden (. Übersicht 2.17). Die Monomere lagern sich unter Bildung von Disulfidbrücken aneinander und bilden so kettenartige Protofilamente. Jeweils 13 dieser Protofilamente lagern sich parallel aneinander, wobei sie über Wasserstoffbrücken verbunden sind. Die Ketten sind immer um ein Monomer versetzt und bilden die Wand eines hohlen, röhrenförmigen Mikrotubulus von leicht schraubenförmiger Struktur. Dabei ist jedes Protofilament polar aufgebaut: α-Tubulin findet sich am sog. Minusende und β-Tubulin am Plusende.

Störung der Polymerisation von Mikrotubuli Die Polymerisation von Mikrotubuli kann durch Gifte beeinflusst werden. Zur Analyse menschlicher Chromosomen wird Colchizin eingesetzt, um möglichst viele Zellen in der günstigsten Analysephase, der Metaphase zu erhalten. Dieses synthetische Produkt kommt in der Natur als Hauptalkaloid der Herbstzeitlosen vor. Colchizin bindet an das freie Tubulin und hemmt die Mikrotubulipolymerisation. Taxol hat dagegen entgegengesetzte Wirkung: es bindet an die Mikrotubuli und verhindert deren

. Übersicht 2.17. Aufbau und Funktion der Mikrotubuli

2.10.1

Mikrotubuli

Mikrotubuli sind trotz ihrer unterschiedlichsten Funktionen in ihrer Struktur sehr ähnlich. Sie werden regelmäßig in allen eukaryotischen Zellen gefunden. Als Grundstruktur zeigen sie lange, relativ steife Proteinröhren, die rasch zerfallen und an anderer Stelle wieder aufgebaut werden können. Mikrotubuli sind gerichtete Moleküle, die von einem Mikrotubuliorganisationszentrum (MTOC), dem Zentrosom ausgehen, welches sich in der Nähe des Zellzentrums befindet. Von dort erstrecken sie sich nach außen zur Zellperipherie. Dieser Anteil des Zy-

Polarität

Vom Zentrosom (Mikrotubuliorganisationszentrum, MTOC) zur Zellperipherie gerichtet

Aufbau

Dimere aus α- und β-Tubulin, die kettenartige Protofilamente bilden. 13 parallele Protofilamente bilden einen Hohlzylinder mit leicht schraubenförmiger Struktur

Aufgabe

Festlegung der Lage der Zellorganellen. Steuerung intrazellulärer Transportprozesse

Vorkommen

Zytoplasma Spindelapparat Zentriolen Zilien Geißeln

43 2.10 · Zytoskelett

2

Auflösung. Dagegen können weitere neue Untereinheiten hinzugefügt werden, die Mikrotubuli wachsen. Die Gesamtwirkung ist in ihrer Konsequenz jedoch ähnlich wie beim Colchizin, die Mitose wird arretiert. Vincristin ist ebenso ein Mitosegift und wird deshalb auch in der Tumortherapie als Zytostatikum eingesetzt, um die Zellteilung rasch wachsender Tumoren zu verlangsamen bzw. zu verhindern (. Abb. 2.24).

Zentriolen Die paarweise auftretenden Zentriolen (. Abb. 2.25) finden sich in jeder Zelle. Sie entsprechen Hohlzylindern mit offenen Enden, deren Wand aus 9 Tripletts von Mikrotubuli zusammengesetzt ist. Häufig befinden sie sich im Mikrotubuliorganisationszentrum. Zentriolen spielen eine große Rolle bei der Zellteilung, wobei sie offenbar die Polarität der Zelle für die Mitosespindel festlegen und damit die Richtung der Zellteilung bestimmen oder zumindest daran beteiligt sind. Zentriolen scheinen sich aus Basalkörpern (Kinetosomen) zu entwickeln. Basalkörper werden zu Zentriolen, wenn die Zelle sich zur Teilung anschickt. Die Basalkörper des Spermiums werden zu den Zentriolen der befruchteten Eizelle und leiten damit die erste Zellteilung ein. Zentriolen verdoppeln sich, wobei jedes Zentriol ein Tochterzentriol

. Abb. 2.25. Elektronenmikroskopische Aufnahme eines Zentriols. Vergrößerung 1:90.000

bildet, sie können aber auch ausnahmsweise neu entstehen (. Übersicht 2.18).

Mitosespindel ! Zur Zellteilung entsteht am Zentrosom (Mikrotubuliorganisationszentrum) der aus Mikrotubuli aufgebaute Spindelapparat.

Zum Aufbau des gesamten Spindelapparats einer menschlichen Zelle werden ca. 3.000 Mikrotubuli benötigt, wobei die Mitosespindel die Chromosomen ordnet und in der Äquatorialebene hält. Am Chromosom selbst setzen die Mikrotubuli an der Spindelfaseransatzstelle, dem Kinetochor oder Zentromer an. Das Auseinanderziehen der Chromatiden in der Anaphase (7 Kap. 4.2.4) geschieht wohl durch Verkürzung der Spindelfasern am Kinetochor mittels Depolarisation. Eine gleichzeitige Verlängerung der polaren Mikrotubuli schiebt die Zellpole weiter auseinander und bereitet sie für den eigentlichen Teilungsprozess vor.

. Übersicht 2.18. Zentriolen und ihre Funktionen

. Abb. 2.24. Aufbau eines Mikrotubulus

Entstehung

Verdopplung von Mutterzentriolen, jedoch nicht durch Teilung sondern durch Induktion von Tochterzentriolen

Aufbau

Kurze Zylinder aus 9 Tripletts von Mikrotubuli Entwicklung aus Basalkörpern

Funktion

Festlegung der Polarität der Zelle für die Mitosespindel

44 Kapitel 2 · Zelluläre Strukturelemente

Zilien und Geißeln

2

Der Bewegungsvorgang von Zilien und Geißeln beruht auf der Struktur der Mikrotubuli. Dabei sind Zilien kurze Zellfortsätze (5–10 μm) und immer in großer Zahl nachweisbar. Geißeln sind dagegen ca. 150 μm lang und einzeln oder paarweise, selten in großer Zahl angelegt (. Übersicht 2.19). Beispielsweise sind die Spermien von Eukaryoten in der Regel begeißelt. Zilien dienen bei Einzellern der Eigenfortbewegung, bei Vielzellern hingegen der Bewegung des Außenmediums (Flimmerbewegung) über der Zelloberfläche. Aufbau. Die Ultrastruktur von Zilien und Geißeln

ist gleich, wobei wiederum die Basalkörper das Bildungszentrum darstellen. Beide sind charakterisiert durch einen Achsenfaden. In dessen Mitte befinden sich zwei Mikrotubuli, die gewöhnlich von einer gemeinsamen Scheide umgeben sind, in oft engem Kontakt. Im Kreis um diese zentralen Mikrotubuli verlaufen, der Länge des Achsenfadens folgend, 9 Doppelmikrotubuli. Die Ebene, die den Achsenfaden zwischen den beiden zentralen Tubuli in zwei Hälften teilt, ist die Schlagebene. Betrachtet man den Querschnitt eines Ziliums (von der Zelle her in Richtung auf das Ende), so tragen die randständigen Doppeltubuli je zwei »Proteinarme«. Diese sitzen jeweils an einer der beiden Röhren, dem A-Tubulus

. Abb. 2.26. Querschnitt durch den Achsenfaden einer Zilie oder Geißel

. Übersicht 2.19. Zilien und ihre Funktion Aufbau

20 Mikrotubuli (2 zentrale Mikrotubuli umgeben von 9 Doppelmikrotubuli mit Dyneinarmen) 5–10 μm lang

Funktion

Bewegung von Einzelzellen oder Erzeugung von Flüssigkeitsströmen entlang der Oberfläche festsitzender Zellen Spezielle Funktionen z. B. in Sinnesorganen

und zeigen im Uhrzeigersinn auf die folgende Doppelröhre. Außer diesen Dyneinarmen bestehen vom A-Tubulus sprossenartige Nexinverbindungen zum B-Tubulus der folgenden Doppelröhre und »Speichen« zu den Zentraltubuli (. Abb. 2.26). Funktion. Die Bewegung von Zilien und Geißeln

beruht auf einem Aneinandervorbeigleiten der Tubuli (. Abb. 2.27). Die Bewegungsenergie wird dabei durch ATP-Spaltung gewonnen. Die ATPaseAktivität ist im Protein (Dynein) der »Arme« lokalisiert.

2.10.2

Intermediärfilamente

Neben den Mikrotubuli (Durchmesser 25 nm) und den dünneren Mikrofilamenten, die die Zelle mit

45 2.10 · Zytoskelett

2

Lungenentzündungen, die durch die fehlende Beweglichkeit der Zilien im Flimmerepithel des Respirationstrakts verursacht sind. Auch den Spermien fehlt die Beweglichkeit. Das Auftreten eines Situs inversus lässt den Schluss zu, dass in der frühen Embryonalentwicklung dem Zilienschlag möglicherweise eine entscheidende Bedeutung bei der Anordnung der Zellen zukommt.

Die Intermediärfilamente sind also durch ihre molekulare Heterogenität und ihre zelltypischen Unterschiede charakterisiert, die sie für spezifische Zellaufgaben in spezialisierten Zellen prädestinieren.

. Abb. 2.27. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von Zilien des trachealen Epithels beim Hamster

Röhren und Fasern durchziehen und ihr Gestalt und Stabilität geben, gibt es die Gruppe der Intermediärfilamente (Durchmesser 10 nm). Man kann sie in Klassen unterteilen: 4 Keratinfilamente der Epithelzellen, 4 Vimentin und vimentinverwandte Filamente der Mesenchymzellen, 4 Desminfilamente der Muskeln, 4 Saures fibrilläres Gliaprotein (GFAP) der Gliazellen und Astrozyten, 4 Periferinfilamente der peripheren Neuronen, 4 Neurofilamente der Nervenzellen. Klinik Kartagener-Syndrom Beim genetisch bedingten Kartagener-Syndrom fehlen die Dyneinarme der Zilien und Geißeln. Der Fehlbildungskomplex ist charakterisiert durch einen Situs inversus (seitenverkehrte Lage der inneren Organe), Erweiterung der Bronchien, Nasenpolypen, evtl. Brustkorbanomalien, Herzfehler und hormonale Störungen. Desweiteren kommt es wiederholt zu Nasennebenhöhlen- und 6

! Wichtige Intermediärfilamente sind die Zytokeratinfilamente der Desmosomen, die Desminfilamente der Muskelzellen, die Neurofilamente der Neuronen und die Gliaproteine der Gliazellen. Auch die Kernlamina, die der inneren Kernmembran anliegt und der Organisation des Chromatins und dem Auf- und Abbau der Kernmembran dient, besteht aus Intermediärfilamenten mit dem Intermediärfilament-Protein Lamin.

Intermediärfilamente bestehen aus α-helikalen Polypeptidketten, die sich zu kurzen Fasern zusammenfügen. Durch den spezifischen Aufbau dieser Filamente können sie zur pathologischen Diagnostik von Tumoren herangezogen werden. Klinik Epidermolysis bullosa simplex Eine Störung der Intermediärfilamente führt zum Krankheitsbild der Epidermolysis bullosa simplex. Sie beruht auf einem Zytokeratin-14Defekt, ist autosomal-dominant erblich und ist charakterisiert durch Blasenbildung der Haut nach mechanischer Belastung.

2.10.3

Aktinfilamentsystem

Neben den Mikrotubuli und Intermediärfilamenten bilden auch Mikrofilamente einen Teil des Zytoskeletts. Sie bestehen aus Aktin in Assoziation mit ande-

46 Kapitel 2 · Zelluläre Strukturelemente

2

ren Proteinen und Myosin. Aktinfilamente kommen in allen eukaryotischen Zellen vor und sind ausschlaggebend für viele ihrer Bewegungsfunktionen. Ohne sie könnten sich Zellen nicht bewegen, keine großen Partikel über Phagozytose aufnehmen und sich auch nicht teilen. Je nachdem, mit welchen Proteinen die Aktinfilamente assoziiert sind, können sie sehr unterschiedliche Strukturen ausbilden. Beispielsweise kleine kontraktionsfähige Bündel im Zytoplasma, die Mikrovilli der Bürstensaumzellen im Darm oder den kontraktilen Ring bei der Zellteilung.

Aufbau Aktin. Jedes Aktinfilament hat einen Durchmesser von ca. 8 nm und besteht aus einer verdrillten Kette (F-Aktin) identischer globulärer Aktinmoleküle, dem G-Aktin. Die G-Aktinmoleküle (Molekulargewicht 46.000 Da; 1 Da = 1/12 der Masse eines 12C-Atoms) orientieren sich alle zur Filamentachse, sodass ein polarer Aufbau mit einem Plus- und einem Minusende entsteht. Das F-Aktin hat eine doppelhelikale Struktur, wobei starke Wechselwirkungen zwischen beiden Strängen eine Trennung verhindern. Jedes Aktinmonomer bindet ein Molekül ATP. Nachdem das Aktinmonomer ins Filament eingebaut ist, wird ATP zu ADP hydrolysiert. Dieses bleibt ans Aktin gebunden und erschwert dadurch eine neuerliche Polymerisation. Die Polymerisation kann an beiden

. Abb. 2.28. Myosinmolekül und Myosinfilament

Polen erfolgen, läuft jedoch am Pluspol schneller als am Minuspol. Durch ein dem Aktin assoziiertes Protein, dem Profilin, kann die Polymerisation zu F-Aktin gehemmt werden. Profilin bindet 1:1 an G-Aktin. In diesem Komplex kann kein Proliferationskern gebildet und der zu frühe Beginn der Polymerisation verhindert werden. Myosin. Das Myosin ist im Gegensatz zum Aktin ein

riesiges Molekül mit einem Molekülgewicht von 500.000 Da (500 kD). Am Ende dieses gestreckten Moleküls aus zwei helikalen Polypeptidketten sitzt ein verdichteter Kopf. Der verdichtete Kopf entsteht durch Auseinanderweichen der beiden Ketten und deren globuläres Aufknäulen.

Funktion Dieser Kopfteil ist der aktive Teil des Myosinmoleküls. Er ist durch den gestreckten Teil im dicken Myosinfilament verankert. Die gestreckten Myosinteile liegen parallel nebeneinander, die Kopfteile (pro Filament ca. 500) stehen seitlich aus dem dicken Filament heraus (. Abb. 2.28). Die Kopfteile besitzen ATPase-Aktivität und können an Aktin binden. Wichtig ist, dass die Myosinfilamente aus zwei Sätzen von Myosinmolekülen bestehen, einem rechten und einem linken mit entgegengesetzter Polarität. So kann jede Hälfte des Myosinfilaments mit einem anderen Satz von Aktinfilamenten in Verbindung tre-

47 2.10 · Zytoskelett

2

. Abb. 2.29. Aktinfilament, Anordnung der G-Aktinmoleküle zum Filament

ten. Dieser Aufbau ist die Grundlage der Muskelkontraktion (. Abb. 2.29).

Zellgestalt und Haftfähigkeit Neben der Zellmotilität dienen insbesondere die Aktinfilamente der Zellgestalt und Haftfähigkeit, da diese auch die Zelloberfläche beeinflussen. So befindet sich Spektrin, das Hauptprotein der Erythrozytenmembran, an der Membraninnenseite. Es ist ein etwa 100 nm langes Heterodimer, das aus einer αund einer β-Untereinheit besteht, die umeinander gewickelt sind. Der Anionenkanal »Bande-3-Protein« macht mit 106 Kanälen pro Zelle mehr als 30 % der Membranproteine aus. Ankyrin stellte die Verknüpfung (die Verankerung) zwischen Membranskelett und Lipiddoppelschicht dar, indem es Spektrin und Bande-3-Protein bindet. Protein 4.2 stabilisiert diese Bindung. Das Spektrin αβ-Dimer bildet an den Kopfenden mit anderen Dimeren α2β2-Tetramere oder Oligomere. Am Schwanzende sind die Spektrindimere an Aktin gebunden. Diese Verknüpfung wird durch Protein 4.1 verstärkt. Da mehrere Spektrinmoleküle am Aktin anknüpfen können, entsteht

ein zweidimensionales Maschenwerk mit Ankyrinund Aktin-Verankerungen. Dieses »unterfüttert« gleichsam stabilisierend die Plasmamembran, wodurch die Erythrozyten ihre Form bewahren. Ein weiteres integrales Protein der Erythrozytenmembran ist das Glykophorin, welches einen Kohlenhydratüberzug aus 16 Oligosaccharidketten aufweist. Die Hauptfunktion dieses Proteins beruht auf der großen Anzahl an negativen Ladungen an der Sialinsäure, dem Zuckerrest am Ende jeder Kohlenhydratkette. Diese Ladung bewirkt, dass sich die roten Blutkörperchen gegenseitig abstoßen, was eine Verklumpung der Zellen verhindert. Die Unterschiede in der Aminosäuresequenz des Glykophorins sind verantwortlich dafür, ob jemand die Blutgruppe A, B oder 0 hat (. Abb. 2.30). Dystrophin bindet an das Aktinnetzwerk und ist Mittler zwischen der Plasmamembran und der extrazellulären Matrix. Ist das Gen mutiert, so kommt es zu den erblichen Formen der Muskeldystrophie. Wenn Dystrophin ganz ausfällt, kommt es zum Typ Duchenne, wird nur ein Teil des funktionellen Genproduktes gebildet, resultiert daraus die Muskeldystrophie Typ Becker.

. Abb. 2.30. Struktur der Erythrozytenmembran (Aus Linnemann/Kühl, 7. Aufl. 2005, Springer-Verlag)

48 Kapitel 2 · Zelluläre Strukturelemente

2

Stressfasern sind eine Verbindung von Aktinfasern und Myosin. Sie binden an Integrine der Plasmamembran und weitere Proteine. Fibroblasten erhalten durch sie ihre Oberflächenhaftung und Endothelzellen ihre Widerstandsfähigkeit. Klinik Hämolytische Anämien Hereditäre hämolytische Anämien wie die Sphärozytose beruhen auf einer Störung des Proteingerüsts. Das Protein Spektrin ist die Hauptkomponente an der Innenseite der Erythrozytenmembran. Es ist für die Zellform verantwortlich und als Spektrinnetzwerk über Anheftungsproteine mit der Plasmamembran verknüpft. Eine Anomalie in der Netzwerkstruktur führt zum krankhaft gesteigerten Erythrozytenzerfall und einer kompensatorisch gesteigerten Erythropoese. Somit sind weniger Erythrozyten vorhanden als bei gesunden Individuen. Die Form der roten Blutkörperchen ist dabei eher kugelförmig als abgeflacht.

Amöboide Zellfortbewegung Die Bewegungsfähigkeit von Zellen, wie die der Leukozyten oder der Fibroblasten in Zellkultur, kommt durch Veränderungen der Zellform zustande. Wir finden diesen Bewegungstyp bereits bei einem einfach gebauten Einzeller, der Amöbe. Diese Form der Zellfortbewegung wurde also durch die ganze Evolution beibehalten und ist ein Beispiel für die Allgemeingültigkeit des vorgestellten Prinzips.

a . Abb. 2.31 a,b. Bewegung einer Amöbe. Die Bewegungsrichtung (langer Pfeil) entspricht dem physiologischen Vorderende der Zelle. a Schema zum Bewegungsmechanismus. Punktiert Grenze zwischen Ekto- und Endoplama; dünne Pfeile

! Eine Amöbe bewegt sich unter Veränderung ihrer Zellform fort, indem sie in Fortbewegungsrichtung Zytoplasmafortsätze bildet. Die fingerförmigen werden als Pseudopodien und die schaufelförmigen »Scheinfüßchen« als Lamellopodien bezeichnet; bei Fibroblasten spricht man von Filopodien.

Wie kommt es jedoch zur Bildung dieser Zytoplasmafortsätze? Hierzu müssen wir wissen, dass das Zytoplasma der Amöbe in zwei Zuständen vorliegen kann, in einem flüssigen Solzustand und einem festen Gelzustand. Die Gelform umhüllt wie ein Mantel die Zelle und verleiht ihr ihre Festigkeit. Man bezeichnet den Gelmantel als Ektoplasma oder Plasmagel, den von ihm umschlossenen inneren Raum als Endoplasma oder Plasmasol. Bei der Bewegung strömt Endoplasma in die Pseudopodien und wird dort zu Plasmagel verfestigt, umgekehrt wird Ektoplasma in Endoplasma verflüssigt. Der Wechsel der Sol-Gel-Zustände wird durch Aktin und andere Proteine, wie Myosin, bewirkt. Die kontraktilen Elemente sind, wie man elektronenmikroskopisch feststellen kann, im Ektoplasma und in der äußeren Zone des Endoplasmas dichter und strenger geordnet als im übrigen Zytoplasma. Biochemisch läuft der Vorgang folgendermaßen ab: Filamin bindet mit seinen beiden Enden an Aktinfilamente und vernetzt sie zu einem dreidimensionalen Netz, wodurch der gelartige Zustand erreicht wird. Umgekehrt fragmentiert Gelsolin die Aktinfilamente, indem es an Aktin bindet, zu Brüchen im Molekül führt und so den Solzustand herbeiführt (. Abb. 2.31).

b Strömungsrichtung des Endoplasma-Sols. Dicke Pfeile mögliche Orte der Kontraktionsprozesse. b Verteilung der Plasmafilamente nach elektronenmikroskopischen Aufnahmen

49 2.10 · Zytoskelett

Mikrovilli Zellen zeigen häufig eine Differenzierung der Oberfläche, die im Zusammenhang mit ihrer spezifischen Funktion steht. ! Resorbierende Zellen besitzen Bürstensäume (z. B. Niere) oder Stäbchensäume (z. B. Dünndarm), die die Oberfläche vergrößern und damit die Resorptionsfähigkeit um ein Vielfaches erhöhen. Man bezeichnet diese Zytoplasmafortsätze als Mikrovilli.

Mikrovilli sind also Vorstülpungen der Zellmembran mit eingelagerten Enzymen. Da die Mikrovilli senkrecht zur Zelloberfläche stehen, benötigen sie eine Stabilisierung. Diese wird durch Filamentbündel erreicht, die sich durch den gesamten Zytoplasmafortsatz ziehen und Anschluss zum Zytoskelett der Zelle besitzen. Dabei handelt es sich um Aktinfilamente, die im Zusammenwirken mit Myosin eine aktive Verlängerung und Verkürzung sowie eine Seitwärtsbewegung der Mikrovilli erlauben. An der Basis der Mikrovilli findet häufig die Endozytose statt. Mikrovilli können spezielle Aufgaben übernehmen. So finden wir sie beispielsweise bei Zellen von Geschmacksknospen oder bei den Photorezeptorzellen von Insektenaugen. Dort führt die Oberflächenvergrößerung zu einer erhöhten räumlichen Konzentration des in die Zellmembran eingelagerten Sehfarbstoffs und damit zu einer Sensibilitätssteigerung (. Abb. 2.32 und . Übersicht 2.20).

. Abb. 2.32. Mikrovilli des intestinalen Epithels der Katze

. Übersicht 2.20. Mikrovilli und ihre Funktion Aufbau

Vergrößerung der Zelloberfläche Zytoplasmahaltige Vorstülpungen der Plasmamembran mit eingelagerten Enzymen Stabilisierung durch Aktinfilamentbündel mit Verbindung zum Zytoskelett

Funktion

Hauptsächlich Resorption (Dünndarm, Nierentubuli) Spezielle Funktionen wie bei Photorezeptorzellen

In Kürze

4 Die Plasmamembran ist die schützende Barriere der Zelle mit einer Reihe wichtiger Funktionen: Sie ist selektiv durchlässig und reguliert den Transport zahlreicher kleiner Moleküle. Dazu besitzt sie aktive Transportsysteme, aber auch wichtige Enzyme sind in der Membran lokalisiert. Neben Lipidmolekülen enthält sie integrale Membanproteine und solche, die nur an einer Seite der Membran verankert sind. Diese übernehmen bei der Signalübertragung zwischen Zellen wichtige Funktionen. Auf der extrazellulären Seite der Plas6

mamembran befindet sich die Glykokalix, eine Polysaccharidschicht, die der Kommunikation zwischen den Zellen dient. Im Gewebeverband können Zellen mit ihren Nachbarzellen auf verschiedene Weisen verbunden sein: Tight junctions (Zonula occludens) stellen eine undurchlässige, sehr enge Verbindung dar. Zur einfachen mechanischen Verankerung zweier Zellen findet man die Zonula adhaerens und die Macula adhaerens (Desmosom). Über die Zellverbindung an gap junctions ist ein Stoffaustausch zwischen Zellen möglich.

2

50 Kapitel 2 · Zelluläre Strukturelemente

2

4 Der Zellkern ist der Aufenthaltsort der Chromosomen. Er ist von einer Doppelmembran umgeben, die in das endoplasmatische Retikulum übergeht. Kernporen ermöglichen die Kommunikation zwischen Kern und Zytoplasma. Die Kernporen sind von Porenkomplexen umgeben, die als spezifische Transporter für Makromoleküle fungieren. Ein weiterer Bestandteil des Kerns ist der Nukleolus, in dem die ribosomale RNA synthetisiert und prozessiert wird. Die Chromosomen sind im Zellkern hochgradig geordnet, Histone sorgen für deren strukturelle Organisation. Im Zellkern findet die Replikation und Transkription von DNA in hnRNA und das Processing von hnRNA in mRNA statt. 4 Das Zytoplasma besteht aus Zytosol + Zytoskelett + zytoplasmatischen Organellen. In der hochkonzentrierten wässrigen Lösung des Zytosols findet ein wichtiger Teil der Stoffwechselaktivitäten einschließlich Proteinbiosynthese und Intermediärstoffwechsel statt. Es enthält zahlreiche Proteinfilamente, das Zytoskelett, welches dem Zytosol einen hohen Organisationsgrad gibt. Es besitzt wichtige Funktionen bei der Zellbewegung, für die Zellform und den intrazellulären Transport. 4 Die Ribosomen sind große RNA-Proteinkomplexe, die aus 2 Untereinheiten bestehen. Sie sind die Translationssysteme am endoplasmatischen Retikulum für exportable Proteine und im Zytoplasma für zelleigene Proteine. Prokaryotische Ribosomen unterscheiden sich von den eukaryotischen wodurch eine gezielte Blockade der bakteriellen Proteinsynthese durch Antibiotika möglich ist. 4 Das endoplasmatische Retikulum ist ein wichtiger Ort für die Synthese von Proteinen, Hormonen und Lipiden. Es dient der Kompartimentierung, der Kanalisierung und als Membrandepot. Es kann in 2 verschiedenen Formen auftreten, dem rauen und dem glatten endoplasmatischen Retikulum. Letzteres besitzt keine Ribosomen. In Muskelzellen besitzt das glatte endoplasmatische Retikulum als sarko6

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plasmatisches Retikulum eine wichtige Funktion als Ca2+-Speicher für die Muskelkontraktion. Der Golgi-Apparat ist die »Sekretionsfabrik«: Seine Hauptfunktion ist die Sekretion von Zellprodukten nach außen. Dazu werden die vom endoplasmatischen Retikulum gelieferten Proteine sortiert und Glykoproteine oftmals weiter modifiziert. An der Peripherie des Golgi-Apparats werden dann zur Exozytose bestimmte Membranvesikel abgeschnürt. Diese enthalten sekretorische Produkte, teilweise in sehr konzentrierter Form. Weitere Aufgabe des GolgiApparats ist die Regeneration der Plasmamembran und der Aufbau der Membranen der Lysosomen. Die Lysosomen sind kleine von einer einzelnen Membran umgebene Vesikel. Sie dienen als Verdauungsorte der Zelle und enthalten dazu viele hydrolytische Enzyme, wie Ribonukleasen und Phosphatasen. Ihre Funktion ist der Abbau von Material, was durch Phagozytose oder Pinozytose in die Zelle gelangt ist. Nach dem Zelltod sind sie beim Abbau der zellulären Bestandteile beteiligt. Peroxisomen sind auf gefährliche chemische Reaktionen spezialisiert. Daher sind sie als kleine von einer einzelnen Membran umgebene Vesikel vom Zytoplasma abgegrenzt. Ihre Inhaltsstoffe sind Enzyme, die Wasserstoffperoxid bilden. Dieses wird von Katalasen benötigt, um ein Spektrum verschiedener chemischer Verbindungen zu oxidieren. Die Mitochondrien sind die »Kraftwerke« der Zelle. Sie sind von 2 Membranen umgeben, wobei die innere zur Oberflächenvergrößerung stark gefaltet ist. Fünf membrangebundene Proteinkomplexe an der inneren Membran bilden die Atmungskette. Dieser Multienzymkomplex bewirkt die oxidative Phosphorylierung. Hierbei werden Stoffwechselprodukte der organischen Nährstoffe durch molekularen Sauerstoff oxidiert. Die dabei freiwerdende Energie dient der Erzeugung von ATP (Adenosintriphosphat). In Form von ATP kann Energie gespeichert und überall in der Zelle zum Antreiben

51 2.10 · Zytoskelett

zahlreicher Funktionen zur Verfügung gestellt werden. Im Innenraum der Mitochondrien findet der Zitratzyklus und der Fettsäureabbau (β-Oxidation) statt. Mitochondrien enthalten ihre eigenen speziellen Ribosomen und ein ringförmges DNA-Molekül. 4 Das Zytoskelett ist ein komplexes Netzwerk von Proteinfilamenten. Dazu gehören Mikrotubuli, Mikrofilamente (Aktinfilamente) und intermediäre Filamente. Die dünnsten Filamente sind die Aktinfilamente. Sie kommen in allen Eukaryotenzellen vor, vor allem jedoch in Muskelzellen, wo sie an der Muskel-

kontraktion teilnehmen. Die dicksten Filamente, kleine hohle Röhren, sind die Mikrotubuli. Sie bilden die Bausteine für Zentriolen, den Mitosespindelapparat, Zilien und Geißeln. Die Intermediärfilamente liegen in der Größe zwischen Aktinfilamenten und Mikrotubuli. Sie dienen dazu, die Zelle mechanisch zu festigen. Alle drei Arten von Filamenten und andere Proteine, die sich an sie heften, bilden ein Stabilisierungsund Motorensystem, das die Zelle mechanisch festigt, ihre Form festlegt und Bewegungen steuert und überwacht.

2

3 Zellkommunikation und Signaltransduktion 3

> > Einleitung Zellkommunikation zwischen Zellen erfolgt immer durch die Produktion eines Signalmoleküls einer signalgebenden Zelle und der Weiterleitung dieses Signals an eine signalempfangende Zelle. Diese erkennt es mit Hilfe eines spezifischen Rezeptorproteins und kann es beantworten. In der signalempfangenden Zelle wird das ankommende extrazelluläre Signal in ein intrazelluläres verwandelt, das dann die Reaktion der Zelle beeinflusst (. Abb. 3.1). Die Überführung oder besser der Umwandlungsprozess von einem Signal in ein anderes wird als Signaltransduktion bezeichnet.

3.1

Allgemeine Prinzipien

3.1.1 Formen der Signalübertragung Signale können sowohl auf kurze oder auch auf weite Distanzen übermittelt werden, was verschiedene Kommunikationsverfahren erfordert. Das Einfachste davon ist die endokrine Signalübertragung: Das Signal wird hierbei in den Blutkreislauf abgegeben und somit im gesamten Körper verteilt. Dieser Weg wird von Hormonen beschritten, die von endokrinen Zellen produziert werden. Bei der parakrinen Signalübertragung diffundieren die Signalmoleküle durch das extrazelluläre

. Abb. 3.1. Signaltransduktion

Medium. Sie bleiben also in der engeren Umgebung der aussendenden Zelle. Signalmoleküle zur Regulation der Zellproliferation bei der Wundheilung oder bei Entzündungen gehören dazu. Ein selbststimulierender Weg ist die autokrine Signalübertragung. Sie kann auf die eigene Zelle zurückwirken oder auch das Tumorwachstum durch Absonderung von Wachstumsfaktoren stimulieren. Ein ganz anderer Prozess wird bei der neuronalen Signalübertragung beschritten, die man auch als synaptischen Signalprozess bezeichnet. Hier wird ein intrazelluläres elektrisches Signal in ein extrazelluläres chemisches umgewandelt. Dies geschieht durch Ausschüttung von Neurotransmittern, die von der Membran der Nervenzelle zur Zielzelle diffundieren. Schließlich gibt es die kontaktabhängige Signalübertragung über Zell-Zell-Kontakte.

3.1.2 Signalverstärkung Empfängt eine Zelle ein Signal von außen, so muss dieses auf ein Zielmolekül treffen, das zur Zelle gehört. Diese Zellmoleküle sind immer Rezeptorproteine. Das Rezeptorprotein führt dann den ersten Übertragungsschritt durch, indem es ein intrazelluläres Signal erzeugt. Dies löst in der Regel eine Kette von Signalübertragungsprozessen aus. Die Nachricht wird von einer Gruppe von Signalmolekülen auf eine weitere weitergegeben, von der wiederum jede die Produktion eines neuen Signals auslöst, bis schließlich die Antwort ausgelöst ist. Man bezeichnet diese Übertragungsketten als Signalkaskaden. ! Signalkaskaden verstärken ein Signal in den meisten Fällen. Daher reichen häufig wenige extrazelluläre Signalmoleküle aus, um eine starke Reaktion auszulösen. Sie können ein Signal auch verteilen, sodass mehrere Reaktionen gleichzeitig ausgelöst werden (. Abb. 3.2).

53 3.2 · Signalmoleküle

3

mamembran diffundieren. Ihre Rezeptoren sind im Zellinneren und normalerweise entweder Genregulatorproteine oder Enzyme, die aktiviert werden, wenn ein Signalmolekül an sie bindet.

3.2.1 Hormone Steroidhormone und Schilddrüsenhormone sind die bekanntesten Moleküle der 2. Klasse. Nach Passage der Plasmamembran binden sie im Zytosol oder im Zellkern an ihre Rezeptoren, die immer Genregulatorproteine sind. Sie leiten dann die Transkription der Gene ein. . Abb. 3.2. Signalkaskaden mit Signalverstärkung und Signalverteilung

Klinik Onkogene und Tumorsuppressorgene Bei der Entstehung von Tumoren (Onkogenese) kann durch Mutation ein Onkogen entstehen, das die Entwicklung von Krebs induziert. So kann beispielsweise eine Mutation den Rezeptor für einen Wachstumsfaktor verändern, sodass die Zelle und ihre Folgezellen fälschlich glauben, ein Teilungssignal zu erhalten und sich entsprechend teilen. Durch Funktionsverlustmutationen können Tumorsuppressorgene inaktiviert werden, deren Genprodukte erforderlich wären, um ein Teilungsverbot aufrecht zu erhalten. Die Inaktivierung bewirkt wiederum, dass die Zelle glaubt, ein Teilungssignal zu erhalten.

3.2

Signalmoleküle

Zwei Klassen extrazellulärer Signalmoleküle treffen auf ebenfalls zwei sehr unterschiedliche Arten von Rezeptoren: 4 Die erste Klasse sind große hydrophile Moleküle, die die Plasmamembran nicht durchdringen können. Sie benötigen daher Rezeptorproteine in der Plasmamembran der Zielzelle. 4 Die zweite Klasse von Signalmolekülen sind kleine hydrophobe Moleküle, die durch die Plas-

3.2.2 Stickstoffmonoxid Bei einigen kleineren Signalmolekülen geht der Mechanismus nicht über den relativ langsamen Weg der Genexpression. Sie können daher über direkte Enzymaktivierung innerhalb von Sekunden oder Minuten einen Effekt erreichen. Ein solches Signalmolekül, das die Plasmamembran durchquert und intrazelluläre Enzyme aktivieren kann, ist Stickstoffmonooxid (NO). Das gelöste Gas entsteht aus der Aminosäure Arginin. Endothelzellen (Auskleidung der Blutgefäße) setzen nach ihrer Stimulation durch Nervenzellen NO frei. Dies führt zur Entspannung glatter Muskelzellen in der Gefäßwand mit der Folge eines besseren Blutflusses durch eine Erweiterung der Gefäße. So ist auch von Nervenzellen lokal freigesetztes NO im Penis über eine lokale Erweiterung der Blutgefäße für die Erektion verantwortlich. Gelangt NO an eine Zielzelle, so ist das häufigste Zielenzym die Guanylatzyklase. Sie katalysiert die Bildung von zyklischem Guanosinmonophosphat (cGMP) aus dem Nukleotid GTP. Zyklisches GMP ist ein kleines intrazelluläres Signalmolekül und ähnelt in Struktur und Wirkungsmechanismus dem zyklischen AMP, dessen Wirkungsweise in 7 Kap. 2.1 im Zusammenhang mit der Glykokalix beschrieben wurde.

54 Kapitel 3 · Zellkommunikation und Signaltransduktion

3

Signalrezeptoren

Klinik Testikuläre Feminisierung

3.3

Die testikuläre Feminisierung, welche einem Xchromosomal-rezessiven Erbgang folgt, wird von gesunden Frauen vererbt. Von ihren XYKindern ist die Hälfte phänotypisch weiblich, chromosomal jedoch männlich. Zwar besitzen sie das Gen, welches das männliche Geschlecht bestimmt, jedoch fehlt ihnen der Testosteronrezeptor, der im Fötus und in der Pubertät für die Entwicklung der primären und sekundären männlichen Geschlechtsmerkmale notwendig ist. Diese Patienten stellen zwar Testosteron her, aber ihre Zellen können nicht darauf reagieren. Dementsprechend ist das phänotypische Geschlecht weiblich, bei vorhandenem männlichem genotypischem Geschlecht (. Abb. 3.3).

Die meisten Signalproteine sind nicht hydrophob wie die Hormone sondern hydrophil und können daher nicht durch die Zellmembran diffundieren. Sie benötigen membranständige Rezeptorproteine. Diese kann man in drei Familien einordnen (. Übersicht 3.1): 4 Ionenkanalgekoppelte Rezeptoren, 4 G-Proteingekoppelte Rezeptoren, 4 Enzymgekoppelte Rezeptoren. Bei ionenkanalgekoppelten Rezeptoren ist das Signal ein Ionenfluss, der elektrische Effekte induziert. G-Proteingekoppelte Rezeptoren basieren auf der Aktivierung eines membrangebundenen Proteins, das in der Lage ist, in die Ebene der Plasmamembran zu diffundieren und Reaktionskaskaden auszulösen. Enzymgekoppelte Rezeptoren induzieren katalytisch Aktivitäten auf der zytoplasmatischen Seite des Rezeptors. Hierdurch werden Signale erzeugt, die z. B. zur Freisetzung von Molekülen im Zytosol führen.

3.3.1 Ionenkanalgekoppelte

Rezeptoren Ionenkanalgekoppelte Rezeptoren bezeichnet man auch als transmitterabhängige Ionenkanäle. Diese Rezeptoren nehmen an der synaptischen Signalvermittlung im Nervensystem teil. Ein chemisches Signal gelangt als Neurotransmitterimpuls an die Außenmembran der Zielzelle und induziert ein elek-

. Übersicht 3.1. Zellkommunikation und Signaltransduktion Kommunikationsverfahren

Endokrine Signalübertragung Parakrine Signalübertragung Autokrine Signalübertragung Neuronale Signalübertragung Kontaktabhängige Signalübertragung

Signalmoleküle

Große hydrophile Moleküle mit Bindung an Rezeptorproteine Kleine hydrophobe Moleküle mit Membrandiffusion

Signalrezeptoren

Ionenkanalgekoppelte Rezeptoren G-Proteingekoppelte Rezeptoren Enzymgekoppelte Rezeptoren

. Abb. 3.3. Patientin mit testikulärer Feminisierung und Karytyp 46, XY (aus Hammerton 1971)

55 3.3 · Signalrezeptoren

3

trisches Signal in Form einer Spannung über der Plasmamembran. ! Durch Bindung eines Signalmoleküls verändert der ionenkanalgekoppelte Rezeptor seine Konformation. Daraufhin öffnet oder schließt sich in der Membran ein spezifischer Ionenkanal z. B. für Na+-, K+-, Ca2+- oder Cl–-Ionen.

Besonders die Öffnung eines Ca2+-Kanals kann durch Veränderung der intrazellulären Ca2+-Konzentration viele Enzyme verändern. Ionenkanalgekoppelte Rezeptoren kommen v. a. im Nervensystem und in Muskelzellen vor, die ebenfalls elektrisch reizbar sind.

3.3.2 G-Proteingekoppelte Rezeptoren G-Proteingekoppelte Rezeptoren sind die am häufigsten vorkommenden Signalrezeptoren. Sie besitzen alle eine sehr ähnliche Struktur: Eine einzige Polypeptidkette durchspannt die Lipiddoppelschicht siebenfach (. Abb. 3.4). Bindet ein Signalmolekül, so verändert der Rezeptor auf der zytoplasmatischen Seite seine Konfiguration und es entsteht eine Wechselwirkung mit einem G-Protein, einem Protein aus einer großen Proteinfamilie von GTP-bindenden Proteinen. GProteine verhalten sich wie molekulare Schalter. Beim Eintreffen eines Signals wechseln sie vom inaktiven in den aktiven Zustand. G-Proteine können Ionenkanäle regulieren, was eine sofortige Veränderung des Verhaltens der Zelle bewirkt. Sie können aber auch mit Enzymen in Wechselwirkung treten. Die häufigsten Zielenzyme sind hier die Adenylatzyklase, die für die Herstellung von cAMP verantwortlich ist (7 Kap. 2.1) und die Phospholipase C, die die kleinen Signalmoleküle Inositoltriphosphat und Diacylglycerol herstellt. Diese kleinen Signalmoleküle werden auch als second messenger bezeichnet (der first messenger ist das extrazelluläre Signalmolekül). Sie können rasch im Zytosol diffundieren und ein Signal in die gesamte Zelle tragen. So kann cAMP beispielsweise über Adrenalin als extrazelluläres Signalmolekül die Herzfrequenz steigern, den Glykogenabbau beeinflussen, den Fettabbau regulieren und die Cortisolausschüttung induzieren. Phospholipase C ver-

. Abb. 3.4. G-Proteingekoppelter Rezeptor

mittelt über die Signalmoleküle Vasopressin und Acetylcholin den Glykogenabbau, die Sekretion des Verdauungsenzyms Amylase und die Kontraktion der glatten Muskulatur.

3.3.3 Enzymgekoppelte Rezeptoren Die dritte Gruppe von Oberflächenrezeptoren sind die enzymgekoppelten Rezeptoren, die auf Wachstumsfaktoren als extrazelluläre Signalproteine ansprechen. Die Wachstumsfaktoren regulieren Zellwachstum, Proliferation und Differenzierung. Die Zellantwort auf Wachstumsfaktoren zählt zu den langsamen Zellantworten. Auch die enzymgekoppelten Rezeptoren sind Transmembranproteine. Bei der umfangreichsten Klasse dieser Rezeptoren dient die zytoplasmatische Enzymdomäne als tyrosinspezifische Proteinkinase, die Tyrosinketten von Proteinen phosphoryliert. Die Mehrheit aller Wachstumsfaktoren wirkt auf diese Rezeptor-Tyrosinkinasen. Eine wichtige Rezeptor-Tyrosinkinase führt zur Aktivierung eines kleinen zytoplasmatischen Signalproteins, des Ras, das der inneren zytoplasmatischen Membran anliegt. Fast alle Rezeptor-Tyrosinkinasen werden an Ras gekoppelt, das sein Signal über komplexe Phosphorylierungskaskaden letztlich von der Plasmamembran in den Zellkern vermittelt. Über die Phosphorylierung von Genregulatorproteinen wird auf die Gentranskription Einfluss genommen und das Muster der Genexpression verändert. Dies kann u. a. die Proliferation von Zellen stimulieren. Insofern spielt Ras auch bei der Krebsentstehung eine Rolle. In 30% aller menschlichen Tumoren werden Mutationen des Ras-Gens gefunden.

56 Kapitel 3 · Zellkommunikation und Signaltransduktion

In Kürze

3

4 Ein Organismus, der aus vielen Zellen besteht, ist zu seinem Überleben und zu seiner Reproduktion auf die Kooperation der einzelnen Zellen angewiesen. Diese müssen dazu miteinander in Kommunikation stehen, um physiologische und biochemische Funktionen zu regulieren und zu koordinieren. 4 Hierzu werden von einer Zellpopulation Signalmoleküle erzeugt, die durch Rezeptoren von einer anderen Zellpopulation, den Zielzellen erkannt werden. Hydrophobe Signalmoleküle, wie die Hormone oder Stickstoffmonooxid, können die Plasmamembran passieren und wirken auf Genregulatorproteine oder Enzyme im Zytoplasma. Die wasserlöslichen Signalmoleküle binden an membranständige Rezeptorproteine der folgenden drei Familien: Ionenkanalgekoppelte Rezep-

toren, die transmitterabhängige Ionenkanäle regulieren, G-Proteingekoppelte Rezeptoren, die meist einen molekularen Schalter (G-Protein) aktivieren und enzymgekoppelte Rezeptoren, die ihr Signal meist über Phosphorylierungkaskaden übertragen. 4 Die signalempfangenden Zellen verwandeln das extrazelluläre Signal in intrazelluläre Signale (Signaltransduktion), welche über die Regulation der Aktivität von Transkriptionsfaktoren letztlich die Genexpression verändern. Bei der Weiterleitung des Signals werden meist Signalkaskaden beschritten, durch die das Signal verstärkt wird. 4 Die Art der Signalübertragung hängt sehr wesentlich von der Entfernung ab, die das Signal zurücklegen muss.

57

4

4 Zellzyklus und Zellteilung > > Einleitung Der grundlegende Mechanismus der Zellvermehrung ist die Zweiteilung. Unabdingbar dafür ist eine Verdopplung der genetischen Information und deren Weitergabe auf die Tochterzellen. Bei der Keimzellbildung (7 Kap. 5) ist umgekehrt eine Reduktion der Chromosomenzahl notwendig, damit es nicht in jeder Generation zu einer Verdopplung der Chromosomen kommt. Identische Weitergabe und die Reduktion von Chromosomen, aber auch die Neukombination von Genen bei der Keimzellbildung und Befruchtung, sind grundlegende biologische Vorgänge, die eine Evolution der Organismen erst ermöglicht haben.

4.1

Intermitosezyklus

Die Voraussetzung zur Entstehung eines höheren Organismus ist die Zellvermehrung. Dabei durchläuft die wachsende Zelle bis zur Teilung in zwei Tochterzellen eine Folge von physiologisch unterschiedlichen, nicht umkehrbaren Phasen, die man

. Abb. 4.1. Intermitosezyklus

als Intermitosezyklus zusammenfasst (. Abb. 4.1). Dieser weist drei Phasen auf: 4 G1-Phase, 4 S-Phase, 4 G2-Phase.

4.1.1 G1-Phase Die G1-Phase ist die Wachstumsphase der Zelle und dient der Vorbereitung auf die Zellteilung. Nach Abschluss der vorhergehenden Zellteilung wird die Proteinsynthese, die während der Kernteilung stark reduziert war, wieder aufgenommen. So werden die Proteine für den Verteilungsapparat der Chromosomen in der Mitose (Mitosespindel), die Enzyme für die Vermehrung der DNA und die Histone und nichtbasischen Proteine zur Umschließung der DNA gebildet. Weiter findet eine Neubildung der Zentriolen statt. Auch die RNA-Synthese steigt rasch an. Dagegen findet zunächst in den meisten Fällen keine DNA-Verdoppelung statt. Die Länge der G1-Phase kann sehr variabel sein.

58 Kapitel 4 · Zellzyklus und Zellteilung

4.1.2 S-Phase

4

! Nach der G1-Phase folgt die S-Phase (Synthese-Phase), in ihr findet die Replikation (Verdopplung) der DNA statt 7Kap. 7.3. Hier spielen die Enzyme Primase (eine RNA-Polymerase), DNA-Polymerase und DNA-Ligase eine entscheidende Rolle. Nach Abschluss dieses Prozesses, der bei Säugetieren konstant etwa 7-8 h in Anspruch nimmt, liegt das gesamte genetische Material der Zelle verdoppelt vor.

Jedes Chromosom besteht aus zwei identisch aufgebauten Untereinheiten, den Chromatiden, die in der nächsten Mitose getrennt und auf die beiden entstehenden Tochterkerne verteilt werden. Die danach notwendige Replikation der DNA erfolgt jedoch nicht, wie man annehmen könnte, von einem zum anderen Ende des Chromosoms. Vielmehr gibt es für jedes Chromosom ein charakteristisches Synthesesystem, d. h. die DNA-Synthese beginnt an mehreren Stellen des Chromosoms, und die Stücke werden anschließend verknüpft. Ein solcher Abschnitt des DNA-Moleküls, an dem von einem Startpunkt aus die DNA-Synthese als Einheit durchgeführt wird, ist ein Replikon. Diese stückweise Synthese mit anschließender Verknüpfung bezeichnet man als asynchrone DNA-Synthese. Während der Replikation können bestimmte Umwelteinflüsse wie ultraviolettes Licht, ionisierende Strahlen und bestimmte Chemikalien den Aufbau der neuen DNA stören. Dadurch können Mutationen induziert werden. Nach der S-Phase werden bestimmte kleinere Replikationsfehler im DNAMolekül durch Reparaturenzyme wieder beseitigt. Liegt ein genetischer Defekt in einem Reparaturmechanismus vor, so können dadurch für den Menschen schwere Erbleiden verursacht werden. Ein Beispiel hierfür ist Xeroderma pigmentosum. Bei dieser autosomal-rezessiv erblichen Krankheit müssen homozygote Träger vor jedem Sonnenlicht geschützt werden, da durch den UV-Anteil induzierte genetische Defekte zu Hauttumoren führen (. Abb. 4.2).

4.1.3 G2-Phase Nach Abschluss der DNA-Replikation, also nach der S-Phase, verstreicht meistens noch eine relativ kurze

. Abb. 4.2. Xeroderma pigmentosum

Zeitspanne (etwa 3 h) bis zum Eintritt in die Kernteilung (Mitose). In dieser G2-Phase sind in der Zelle alle Voraussetzungen vorhanden, sofort in die Kernteilung einzutreten. Diese kann auch durch Außenfaktoren wie z. B. einen Temperaturschock stimuliert werden. Solche Verfahren werden experimentell angewandt, um eine Synchronisation in Zellkulturen zu erreichen.

4.1.4 G0-Phase Es gibt Zellen, die ihre Teilungsaktivität einstellen und in einen Dauerzustand übergehen. Andere verharren für längere Zeit in einem Ruhezustand, ohne dabei ihre Regenerationsfähigkeit aufzugegen. Solche Zellen verbleiben in der G1-Phase, die man dann als G0-Phase bezeichnet.

59 4.1 · Intermitosezyklus

4.1.5 Kontrollmechanismen

im Zellzyklus Insgesamt ist der Intermitosezyklus ein hochkomplexer Prozess, bei dem Fehler zu katastrophalen Auswirkungen führen können. So können Mutationen bewirken, dass sich eine Zelle nicht mehr den Bedürfnissen des umgebenden Gewebes unterwirft und sich ungeregelt zu teilen beginnt. Die Folge wäre das Heranwachsen eines Tumors. Und tatsächlich haben praktisch alle bekannten tumorwachstumsauslösenden Mutationen in irgendeiner Weise etwas mit Veränderungen in den Kontrollmechanismen des Zellzyklus zu tun. Das Zellzykluskontrollsystem ist also von außerordentlicher Bedeutung. Man kann von einer »molekularen Bremse« sprechen, die an unterschiedlichen Kontrollpunkten den Zyklus zum Stand bremsen kann, wenn der vorhergehende Zyklusschritt nicht regelgerecht abgeschlossen ist. Drei derartige Kontrollpunkte gibt es: 4 Den G2-Kontrollpunkt am Übergang von der G2-Phase zur Mitose. 4 Den Metaphasekontrollpunkt am Übergang von der Mitose zur G1-Phase. 4 Den G1-Kontrollpunkt am Übergang von der G1-Phase zur S-Phase.

Kontrollpunkte des Zellzyklus ! Zwei Gruppen von Proteinen sind hier von entscheidender Bedeutung, wobei die erste Gruppe, nämlich zyklisch aktivierte Proteinkinasen (Phosphat übertragende Enzyme), sozusagen das Rückgrat der Zellzykluskontrolle bilden. Man bezeichnet sie als zyklinabhängige Proteinkinasen (CdK: cyclin dependent protein kinases), da sie von der zweiten Gruppe, nämlich den Zyklinen, abhängen.

Letztere besitzen keine enzymatische Aktivität. Ihre Aktivität wird durch Phosphorylierung und Bindung an zyklinabhängige Proteinkinasen gesteuert. Wie der Name Zykline bereits aussagt, ändert sich ihre Konzentration periodisch im Verlauf des Zellzyklus, was bei den CdK nicht der Fall ist. G2-Kontrollpunkt. Während der G2-Phase aktivie-

ren G2-Zykline zyklinabhängige Proteinkinasen und steuern den Eintritt in die Mitose. Dabei wird die Empfänglichkeit der CdK für ihre Zyklinaktivierung

4

durch Phosphorylierung (mittels Kinasen) und Dephosphorylierung (mittels Phosphatasen) geregelt. Ein wichtiges Zyklin für den Beginn der Mitose ist Zyklin B. Seine ansteigende Produktion führt zur Bindung an phosphataktiviertes Cdc2 (eine Untereinheit der CdK). Dadurch bildet sich ein M-PhaseFörderfaktor (MPF), eine aktive Proteinkinase. Diese Proteinkinase phosphoryliert Schlüsselproteine, die entscheidende Mitoseprozesse steuern, wie die Chromosomenkondensation, den Zerfall der Kernhülle, die Neuorganisation der Mikrotubuli und die Ausbildung der Mitosespindel. Der Zerfall der Kernhülle erfolgt beispielsweise durch Auflösung der Kernlamina, einem Netzwerk aus Laminfilamenten, das der inneren Kernmembran anliegt. Die MPFKinase phosphoryliert die Lamine und bewerkstelligt so die Auflösung der Kernlamina. Mikrotubuliassoziierte Proteine werden ebenfalls phosphoryliert, was die Eigenschaften der Mikrotubuli ändert und zur Ausbildung der Mitosespindel führt. Dabei hilft die Bindung von Zyklinen wahrscheinlich auch, um die Kinase zu den Proteinen zu lenken. Metaphasekontrollpunkt. Sind schließlich die

Chromosomen in der Metaphase (7 Kap. 4.2.3) alle richtig geordnet, kann deren Verteilung auf die künftigen Tochterzellen beginnen. Phosphatgruppen werden durch Phosphatasen wieder abgebaut, Zyklin B wird von MPF induziert abgebaut, was umgekehrt zur Inaktivierung von MPF führt. Die Zellteilung kann dann eingeleitet werden. G1-Kontrollpunkt. Der schärfste Kontrollpunkt im Zellzyklus ist der Übergang von der G1- in die SPhase. Der Eintritt in die S-Phase wird durch G1Zykline gesteuert, in dem sie während der G1-Phase an zyklinabhängige Proteinkinasen binden (S-Phase-Promotor). Die Neusynthese von G1-Zyklinen stoppt den Abbau von Zyklin B über die Inaktivierung des proteolytischen Systems. Der Eintritt in die S-Phase wird ausgelöst durch eine Assoziation von Cdc1 mit G1-Zyklinen (. Übersicht 4.1). Vorher muss jedoch noch kontrolliert werden, ob bis jetzt alles korrekt verlaufen ist, vor allem ob keine DNAMutationen z. B. durch Kopierfehler vorliegen, ob der Zytoplasmagehalt richtig ist usw. Hierbei spielt das Protein p53 eine Schlüsselrolle. Fällt p53 durch Mutation aus, wird der Zyklus nicht gestoppt, es

60 Kapitel 4 · Zellzyklus und Zellteilung

. Übersicht 4.1. Zellzykluskontrolle Kontrollpunkte

G2-Kontrollpunkt: G2 ⇒ M

G2-Zykline (Zyklin B) ⇒ Cdc2 ⇒ MPF

M-Kontrollpunkt: M ⇒ G1

Abbau M-Zykline

G1-Kontrollpunkt: G1 ⇒ S

G1-Zykline ⇒ Cdc1 und p53

Beteiligte Proteine

Zyklinabhängige Proteinkinasen Zykline M-Phase-Förderfaktor (MPF) p53

Folge von Störungen

Ungehinderte Proliferation und Tumorwachstum

4

kommt zur ungehemmten Proliferation mit Tumorwachstum als Folge. So wurden auch in vielen Tumoren Mutationen am p53-Gen nachgewiesen.

Inaktivierung des Zellzykluskontrollsystems Viele Zellen durchlaufen natürlich nicht in ständiger Teilung den Intermitosezyklus. Das Zellzykluskontrollsystem muss also auch inaktiviert werden können, damit Zellen in die G0-Phase eintreten kön. Abb. 4.3. Zellzykluskontrolle

nen. So müssen z. B. Nervenzellen und Skelettmuskelzellen ein ganzes Leben ohne Teilung erhalten bleiben. Bei ihnen wird das Zellzykluskontrollsystem zum Teil außer Kraft gesetzt, indem viele CdK und Zykline inaktiviert und abgebaut werden. Die meisten unserer Körperzellen nehmen aber eine gewisse Zwischenposition ein: Sie können sich teilen, falls es notwendig ist, tun dies aber selten, bzw. nur wenn sie von anderen Zellen das Signal zur Zellteilung erhalten (. Abb. 4.3).

61 4.2 · Mitose und ihre Stadien

4.2

Mitose und ihre Stadien

Nach Durchlaufen der beschriebenen Intermitosephasen ist die sich reproduzierende Zelle bereit, in die Kernteilung (Mitose) einzutreten (. Abb. 4.4, . Abb. 4.5). Bei der Mitose handelt es sich ausschließlich um die Verteilung des in der Intermitose replizierten DNA-Materials auf die beiden Tochterzellen. Es findet jetzt keine DNA-Synthese mehr statt. Die Mitose ist exakt erbgleich, d. h. die beiden Tochterzellen enthalten infolge exakter Chromatidenverteilung die gleiche genetische Information. Wie bereits beschrieben phosphoryliert der MPhase-Förderfaktor die Kernlamina vor Eintritt in die Mitose und ändert die Eigenschaften der Mikrotubuli, was zur Ausbildung der Mitosespindel führt. Weiterhin wird durch eine Proteinkinase das Histon-H1 phosphoryliert, was zu einer dichteren Verpackung der Chromosomen führt. Der nachfolgende Ablauf der Mitose gliedert sich in verschiedene Teilschritte.

4.2.1 Prophase ! Die Prophase bereitet die Kernteilung vor, indem sich die Chromosomen durch Spiralisierung verdichten.

4

Am Ende der Prophase liegen die Chromosomen in einer physiologisch inaktiven Transportform vor. Dabei besteht jedes Chromosom aus den beiden in der Intermitosephase entstandenen Schwesterchromatiden. Bereits in der Interphase und vor der Verdopplung der Chromatiden lagert sich die DNA jedes Interphasechromosoms mit dem Proteinkomplex Cohesin zusammen. Bei den beiden Schwesterchromatiden dient das Cohesin dann als Brücke. Es hält sie während der gesamten G2-Phase bis zur Mitose zusammen. Während der Kondensation in der Prophase dissoziiert der größte Teil des Cohesins von den Chromosomenarmen. Ausgelöst wir die Dissoziation durch Phosphorylierung der Cohesin-Untereinheiten und die Schwesterchromatiden werden nur noch locker zusammengehalten. An einer bestimmten Stelle, dem Zentromer, einer spezialisierten Region des Chromosoms, die sich durch eine Anhäufung repetitiver DNA-Sequenzen auszeichnet, bleibt die Verbindung jedoch wesentlich enger. Die Freisetzung des verbliebenen Cohesins von den Zentromeren erfolgt erst in der Anaphase. Durch Längenzunahme der Spindelfasern wandern die beiden Zentriolen zu den Zellpolen. Sie werden sozusagen zu den Zellpolen geschoben und legen damit bereits die Teilungsrichtung der Zelle im Gewebe fest. Der Prozess der Zentriolenwanderung wird von Motorproteinen aus der Dynein- und Kinesinfamilie angetrieben, die an die Zentriolen binden. Sie benutzen Energie, die bei der ATP-Hydrolyse frei wird, um an den Spindelfasern entlang zu wandern. Die Verdopplung der Zentriolen findet bereits kurz vor der S-Phase statt. Bildungsort der Spindelfasern sind die Mikrotubulusorganisationszentren, deren Mittelpunkt die in einem rechten Winkel zueinander liegenden Zentriolen darstellen. Die Prophase erstreckt sich über einen Zeitraum von 0,5–4,5 h.

4.2.2 Prometaphase ! In der Prometaphase löst sich die Kernmembran auf.

. Abb. 4.4. Schema der Mitose

Diese Membran ist eine Doppelmembran, die einem netzartigen Geflecht aus Laminen, der Kernlamina, aufsitzt. Die Auflösung der Kernlamina wird durch die Phosphorylierung der Laminmoleküle mittels

62 Kapitel 4 · Zellzyklus und Zellteilung

. Abb. 4.5a–f. Mitose einer FischBlastula. a Interphase, b Prophase, c Metaphase, d frühe Anaphase, e späte Anaphase, f Telophase

4

zyklinabhängiger Kinase begünstigt. Dadurch geht ihr Zusammenhalt verloren, und durch den Verlust der Bindung zwischen den Laminen löst sich die Kernmembran auf. Die Kernhülle zerfällt in kleine Membranvesikel, die sich in der gesamten Mitosezelle verteilen. Es muss allerdings darauf hingewiesen werden, dass dieser Mechanismus in den letzten Jahren in Frage gestellt wurde. Untersuchungen an Säugerzellen legen die Vermutung nahe, dass die Kernhülle durch mechanische Kräfte der Mikrotubuli und Molekülmotoren zerrissen wird. Nach Auflösung der Kernmembran kann der Spindelapparat an den Chromosomen ansetzen.

Dabei bilden sich die Kinetochor-Spindelfasern zwischen den Zentromeren der Chromosomen und den Zentriolen aus. Die Kinetochor-Spindelfasern sind von den Pol-Spindelfasern zu unterscheiden, die die Zentriolen zu den Polen verschoben haben.

4.2.3 Metaphase Die Chromosomen liegen nun frei etwa in der Mitte des Zytoplasmas. Die Kinetochor-Spindelfasern haben alle Chromosomen an den Zentromeren erfasst. Aus dem Bereich des Spindelapparats werden alle

63 4.2 · Mitose und ihre Stadien

größeren Zellorganellen verdrängt. Auch die Nukleoli wurden aus dem Spindelbereich eliminiert und haben sich im Grundplasma aufgelöst. ! Im Verlauf von wenigen Minuten gelangen die Spindelfaseransatzstellen der Chromosomen in die Äquatorialebene (Metaphaseplatte, Symmetrieebene zwischen beiden Spindelpolen). Dort werden sie durch den gegenseitigen Spindelfaserzug in der Schwebe gehalten (diese sternartige Figur wird auch als Monaster bezeichnet).

Die Chromosomenarme ragen in dieser Phase gewöhnlich polwärts aus der Äquatorialebene heraus. In jedem Chromosomenarm wird nun ein Längsspalt sichtbar (teilweise ist dieser auch schon in der Prophase erkennbar), und zuletzt hängen die beiden identischen Spalthälften des Chromosoms, die Chromatiden, nur mehr in der Zentromerregion zusammen. Verlust des Zentromerbereichs. Durch mutative Ereignisse ist es möglich, dass der Zentromerbereich eines Chromosoms verloren geht. Die Deletion entsteht in diesem Fall durch zwei Bruchereignisse im Zentromerbereich. Die Folge ist 4 Verlust des Chromosomenstücks zwischen den Bruchstellen und 4 Wiederverschmelzung der beiden Chromosomenarme. Da die Spindelfasern jedoch nur am Zentromer ansetzen können, dieser Chromosomenbereich jedoch verlorengegangen ist, ist nun eine ordnungsgemäße, exakt erbgleiche Verteilung der Chromosomen auf die beiden Tochterkerne nicht mehr möglich. Das Chromosom mit der Deletion wird zufallsgemäß bei der Zellteilung in eine der beiden Tochterzellen geraten. Damit tritt eine zahlenmäßige Veränderung im Chromosomenbestand (numerische Chromosomenmutation) in den beiden Tochterzellen auf, die entweder zum Zelltod oder zu abnormalen Zelllinien führt.

4.2.4 Anaphase Wie die Metaphase ist auch die darauffolgende Anaphase von relativ kurzer Dauer (2 bis 20 min). Als

4

erstes teilen sich die Zentromeren, die in der Metaphase die beiden Chromatiden eines Chromosoms noch zusammenhielten, in der Längsachse der Chromosomen und geben damit die Chromatiden für eine Trennung frei, was man auch als Ende der Metaphase bezeichnen kann. ! Mit Hilfe der Spindelfasern erfolgt nun eine Trennung der Chromatiden und ihr Transport zu den entgegengesetzten Zellpolen, mit einer Geschwindigkeit von 1 nm pro Minute. Dies geschieht durch Kürzerwerden der Kinetochormikrotubuli und weiteres Auseinanderrücken der Spindelpole. Die durch die beiden Chromatidensätze gebildeten zwei sternartigen Anordnungen werden auch als Diaster bezeichnet.

Zwei Prozesse bei der Steuerung der Anaphase sind von besonderer Bedeutung: Die vollständige Trennung der Schwesterchromatiden und die Antriebskräfte der Chromosomenwanderung. Die vollständige Trennung erfolgt durch die Freisetzung des in der Prophase beschriebenen Cohesins. Eine Protease namens Separase spaltet eine wichtige Untereinheit der Cohesinmoleküle, welche die Schwesterchromatiden an den Zentromeren zusammenhalten, wodurch diese für die Anaphasebewegung freigesetzt werden. Bezüglich der Kräfte für die Trennung der homologen Chromosomen werden zwei Modelle diskutiert, die möglicherweise beide zur Krafterzeugung beitragen. An den Kinetochoren wurden zytoplasmatisches Dynein und mindestens zwei kinesinähnliche Proteine nachgewiesen. Die Chromosomen sind also mit allen notwendigen Motorbestandteilen ausgestattet, um sich an einem Mikrotubulus entlang zu bewegen. Das Dynein wandert am Mikrotubulus entlang zum Minusende und würde demnach auch ein angeheftetes Chromosom in die Polrichtung ziehen. Zumindest hat man nachgewiesen, dass eine Hemmung der Dyneinfunktion in der Anaphase die Wanderung der Chromosomen erheblich verlangsamt. Man kann also davon ausgehen, dass dieses Motorprotein zumindest zur Polwanderung der Chromosomen beiträgt. Das zweite Modell, für das es ebenfalls experimentelle Belege gibt, geht davon aus, dass die Depolymerisierung der Chromosomen-Mikrotubuli in der Anaphase nicht die Folge der Chromo-

64 Kapitel 4 · Zellzyklus und Zellteilung

4

somenwanderung, sondern deren Ursache ist. Hiernach erzeugt die Depolymerisierung der Mikrotubuli an den Spindelfasern mechanische Kraft, sodass die Chromosomen vorwärts gezogen werden können. Selbst wenn jedoch die Mikrotubulimotoren nicht die entscheidenden Krafterzeuger wären, so sind sie dennoch entscheidend daran beteiligt, die Kinetochoren an die Plusenden der Chromosomenmikrotubuli zu binden, während diese ihre Untereinheiten verlieren.

4.2.5 Telophase ! Die letzte Phase der Kernteilung, die Telophase, fällt gewöhnlich mit der Zellteilung zusammen. Mit der Bildung einer neuen Kernhülle wird ein neuer Arbeitskern gebildet.

Zur Ausbildung der neuen Kernhülle gruppieren sich zunächst Membranvesikel um einzelne Chromosomen und fusionieren dann zur Kernhülle. Auch die Kernporen werden wieder gebildet. Die Kernlamine, Proteinuntereinheiten von Intermediärfilamenten, die in der Prophase phosphoryliert wurden, werden nun dephosphoryliert und bilden wieder die Kernlamina. Diese besteht aus den Intermediärfilamenten Lamin A und C, die an den Lamin-B-Rezeptor, ein Protein der inneren Kernmembran, gebunden und untereinander vernetzt sind. Nach Bildung der Kernhülle werden durch die Poren Kernproteine transportiert, der Kern dehnt sich aus und neue Nukleoli entstehen. Die bei der Kernteilung dicht geballten Chromosomensätze lockern sich durch Entfaltung und Entschraubung der Chromatiden auf. Mit der Entspiralisierung der Chromosomen steigt die RNA-Syntheseleistung im Kern wieder messbar an, wodurch die Proteinsynthese im Zytoplasma wieder zunimmt. Die Dauer der Telophase ist bei verschiedenen Organismen sehr unterschiedlich.

4.2.6 Zytokinese In der Zytokinese wird das gesamte Zytoplasma in zwei Hälften geteilt:

! Alle Zellkomponenten wie Membranen, Zytoskelett, Organellen und lösliche Proteine werden auf die Tochterzellen verteilt. Dies geschieht mit Hilfe eines kontraktilen Ringes, der aus Aktin und Myosin besteht. Er schnürt die Zelle ein und teilt sie in zwei Tochterzellen.

Die endgültige Teilung in zwei Tochterzellen wird in der immer enger werdenden Teilungsfurche in der Regel für kurze Zeit unterbrochen, da sich in der Mitte der Zelle noch Überreste der Mitosespindel befinden. Dieser Mittelkörper muss zuerst zerstört werden, wobei hier ein Zentriol offenbar als Teil eines Zytogenese-Kontroll-Punktes beteiligt ist. Danach bildet sich durch Depolarisation der Mikrotubuli, ausgehend vom Zentromer, wieder die Interphaseanordnung der Mikrotubuli (. Übersicht 4.2).

4.2.7 Mitoseindex Der Mitoseindex gibt die Teilungsgeschwindigkeit einer Zellpopulation an und ist in Tumoren ein Indikator für die Geschwindigkeit des Gewebewachstums.

4.2.8 Chromosomenanalyse ! Die Mitose kann in der Metaphase gehemmt, sozusagen arretiert werden. Man benutzt diese Möglichkeit zur Untersuchung des menschlichen Chromosomensatzes (Karyotyp). Eine solche Analyse wird heute in der Regel an Lymphozyten vorgenommen. Dies hat den Vorteil, dass das Untersuchungsmaterial vom Arzt leicht gewonnen werden kann.

Die aus dem Blut gewonnenen Lymphozyten werden in einer Kurzzeitkultur mit Phytohämagglutinin, einem pflanzlichen mitoseanregenden Stoff, künstlich zur Teilung angeregt und mit dem synthetischen, auch in Pflanzen vorkommenden, Colchizin in der Metaphase – der günstigsten Analysephase – arretiert. Das Colchizin hemmt die Polymerisation der Mikrotubuli und verhindert damit die Ausbildung der Spindel (7 Kap. 2.10). Nach hypotoner Behand-

65 4.2 · Mitose und ihre Stadien

4

. Übersicht 4.2. Phasen der Mitose Prophase

4 Spiralisation der Chromosomen und Sichtbarwerden der Chromatiden 4 Wanderung der Zentriolen zu den Zellpolen, angetrieben durch Motorproteine und durch Pol-Spindelfasern

Prometaphase

4 Auflösung der Kernhülle 4 Ausbildung der Kinetochor-Spindelfasern

Metaphase

4 Anordnung der Spindelfaseransatzstellen in der Äquatorialebene durch die Spindelfasern 4 Chromatiden hängen nur noch in der Zentromerregion zusammen, wodurch das typische Bild eines Metaphasechromosoms entsteht

Anaphase

4 Teilung der Zentromeren 4 Trennung der Chromatiden und Transport zu entgegengesetzten Zellpolen

Telophase

4 4 4 4

Zytokinese

4 Durchschnürung der Zelle mit zufälliger Verteilung der Zellorganellen 4 Entstehung von zwei Tochterzellen 4 Bildung der Interphaseanordnung der Mikrotubuli

Entspiralisation der Chromosomen Bildung einer neuen Kernhülle und einer Kernlamina Bildung der Nukleoli Auflösung des Spindelapparats

lung der Zellen, z. B. mit KCl, schwellen diese durch einströmendes Wasser an und spreiten die Chromosomen für die spätere Analyse, d.h. die einzelnen Chromosomen werden so auseinandergezogen, dass sie sich nicht mehr überlagern, jedoch noch im Nukleoplasma verhaftet sind. Anschließend wird das Material mit einem Gemisch aus Eisessig (konzentrierte Essigsäure) und Methanol fixiert und auf Ob-

. Abb. 4.6. Präparation menschlicher Chromosomen

jektträger verbracht. Nach entsprechender Anfärbung (Bänderung) können die Chromosomen unter dem Mikroskop betrachtet werden. Natürlich ist eine Chromosomenanalyse auch an Zellen von anderen Geweben möglich. Erwähnt seien hier Fibroblastenkulturen und Zellen des Knochenmarks, die durch Punktion gewonnen werden können (. Abb. 4.6).

66 Kapitel 4 · Zellzyklus und Zellteilung

4.2.9 Zytostatika

4

Aus medizinischen Gründen kann es wichtig sein, die Zellvermehrung zu hemmen. So wendet man in der Tumortherapie ionisierende Strahlen an, die durch Zerstörung der DNA eine Zellvermehrung hemmen. Chemotherapeutika werden eingesetzt, um das Wachstum und die Ausbreitung eines Tumors einzudämmen. Stoffe, die eine solche Hemmung herbeiführen können, werden als Zytostatika bezeichnet. ! Die zytostatische Wirkung beruht auf einer Hemmung des Mitoseablaufs durch Mitosegifte oder einem direkten Angriff an den Chromosomen, z. B. durch die Induktion von Mutationen. Letztlich wird durch Zytostatika, die auf mutativem Wege wirken, die DNA-Replikation gehemmt. Aber auch andere Wege zytostatischer Wirkung sind bekannt, wie die Hemmung der Nukleinsäurebiosynthese durch Antimetabolite.

Zwar ist für eine Reihe von zytostatisch wirkenden Stoffen der Wirkmechanismus relativ gut aufgeklärt, dies gilt jedoch keineswegs für alle Substanzgruppen. Bei manchen wird empirisch der erwünschte Effekt beobachtet, der zugrundeliegende Mechanismus liegt jedoch im Dunkeln.

etc. Allerdings können auch nur einzelne Chromosomen betroffen sein (partielle Endomitose). Als Beispiel für eine solche Vermehrung des Chromosomensatzes wurden bereits Osteoklasten und Fremdstoffriesenzellen angesprochen. Ein weiteres Beispiel sind die Knochenmarkriesenzellen (Megakaryozyten). Ebenso finden wir beim Menschen in einem Teil der Leberzellen eine Verdopplung des Chromosomensatzes. Die Endomitose führt zu einer Vergrößerung des Kernvolumens, was eine Vergrößerung der Zelle nach der in 7 Kap. 1.2 dargestellten Kern-Plasma-Relation möglich macht. Die Zelle wird dadurch zu höheren Transkriptions- und damit zu höheren Syntheseleistungen befähigt.

4.3.2 Zellfusion Bei der Zellfusion findet durch Auflösung von Zellmembranen die Bildung mehrkerniger Komplexe statt, die als Synzytien bezeichnet werden. Das bekannteste Beispiel hiefür ist die Fusion von Myoblasten zur Bildung quergestreifter Muskelfasern. Während bei der Endomitose also die Zellteilung unterbleibt, ist die Zellfusion ein sekundärer Prozess der Verschmelzung von Zellen.

4.3.3 Amitose 4.3

Amitotische Veränderung des Chromosomensatzes

4.3.1 Endomitose In besonders spezialisierten Zellen oder auch unter pathologischen Bedingungen (beispielsweise bei Tumoren) kann es zu einer Vermehrung der Chromosomen innerhalb der intaktbleibenden Kernmembran ohne Ausbildung einer Mitosespindel kommen. Man bezeichnet diesen Vorgang als Endomitose. ! Zellen weisen nach Endomitosen einen vervielfachten Chromosomensatz auf, eine Polyploidie.

Üblicherweise werden durch Polyploidisierung alle Chromosomen einer Zelle verdoppelt, vervierfacht

Entspricht die Endomitose einer Chromosomenvermehrung ohne Zellteilung, so wird eine Zellteilung ohne Chromosomenvermehrung als Amitose bezeichnet. Hierbei wird der Kern ohne Ausbildung einer Teilungsspindel und ohne Auflösung der Kernhülle hantelförmig durchschnürt und die Zelle geteilt. Diese Form der Zellteilung kommt vor allem in besonders ausdifferenzierten, spezialisierten Zellen vor. Bei ihnen würde sich eine Funktionsunterbrechung, wie sie durch die normale Mitose gegeben wäre, für den Organismus ungünstig auswirken. Dies kann auch in krankhaften Fällen vorkommen. Als Beispiele wären Ziliaten (Wimpertierchen, z. B. Pantoffeltierchen) und bestimmte Protisten zu nennen (. Übersicht 4.3).

67 4.4 · Regeneration und funktionelle Veränderungen

4

. Übersicht 4.3. Endomitose, Zellfusion und Amitose Endomitose

Chromosomenvermehrung ohne Zellteilung

Folge:

Polyploidie, Vergrößerung der Zelle

Beispiele:

Megakaryozyten, Osteoklasten, Fremdstoffriesenzellen, Leberzellen, Tumorzellen

Amitose

Zellteilung ohne Chromosomenvermehrung

Folge:

Kernfragmentation, Mehrkernigkeit

Beispiele:

Ziliaten und bestimmte Protisten

Zellfusion

Sekundäre Verschmelzung von Zellen unter Auflösung von Zellmembranen

Folge:

Synzytien

Beispiele:

Myoblasten zur Bildung quergestreifter Muskelfasern

4.4

Regeneration und funktionelle Veränderungen

4.4.1 Vermehrung von Stammzellen In einem Organismus behalten keineswegs alle Zellen ihre Teilungsfähigkeit bei. Im Gegenteil, die meisten Zellen sind differenzierte Spezialisten, die gleichzeitig mit der Ausdifferenzierung ihre Fähigkeit zur Mitose verloren haben. Dabei wird die Stabilität des Zellphänotyps durch die Blockierung bestimmter Gene erreicht. Nur in wenigen Fällen kann dieser Zustand rückgängig gemacht werden, sodass es zu einer Entdifferenzierung kommt. ! Bei sehr vielen spezialisierten Zellen wird daher eine Gruppe von Zellen bereitgehalten, die als Stammzellen dienen und teilungs- und entwicklungsfähig sind. Einen Zusammenschluss derartiger teilungsfähiger Zellen in Form einer Zellschicht nennt man Blastem.

So erfolgt die Vermehrung bzw. Regeneration von Haut und Schleimhäuten (Epithelien) des Menschen durch ein Blastem, das Stratum germinativum. Stammzellen können pluripotent sein. So müssen Knochenmarkzellen im Rahmen der Hämatopoese (Blutbildung) zahlreiche Zelltypen liefern, weil die roten und ein Teil der weißen Blutkörperchen nicht mehr zu einer Teilung befähigt sind (. Übersicht 4.4). Auch in der weiter unten beschriebenen Spermatogenese wird der Nachschub der Zellen durch Stammzellen gewährleistet. Grundsätzlich hat bei der Zellteilung einer Stammzelle jede Tochterzelle die Wahl, entweder eine Stammzelle zu bleiben oder eine ausdifferenzierte Zelle zu werden. Man bezeichnet dies als differenzielle Zellteilung. Somit sind bei der Stammzellteilung grundsätzlich zwei denkbare Möglichkeiten gegeben: 4 Eine einfache Möglichkeit wäre, dass bei der Teilung einer »unsterblichen« Stammzelle grundsätzlich eine Asymmetrie herrscht. Die Tochterzellen wären dann eine unsterbliche Stammzelle

. Übersicht 4.4. Zelltypen der Hämatopoese, die von pluripotenten Stammzellen abstammen

68 Kapitel 4 · Zellzyklus und Zellteilung

und eine Zelle, die in die Differenzierung geht, mit der Folge abzusterben. 4 Die zweite Möglichkeit ist die höherer Flexibilität, dass nämlich aus einer Stammzelle je nach Bedarf auch zwei Stammzellen werden können.

4

Nach diesem Mechanismus ist es möglich, die Proliferationseinheiten schnell zu vermehren. Dagegen bliebe nach dem ersten Beispiel die Zellzahl der Stammzellen immer gleich. Somit könnte abhängig von der fixen Zahl der Stammzellen auch nur eine unflexible Zahl sich differenzierender Zellen gebildet werden. Dies gerade wäre jedoch beispielsweise für die Haut (Epidermis), die nach Verletzungen schnell regeneriert werden muss, außerordentlich ungünstig. Dabei ist zu beachten, dass jede Proliferationseinheit in jeder Generation mindestens eine »unsterbliche« Stammzelle bilden muss (. Abb. 4.7).

4.4.2 Adaption von Zellen Durch funktionelle Belastung eines Organs oder Gewebes kann es zu einer kurzfristig einsetzenden lokalen Zellvermehrung kommen (numerische Regeneration). Die daraus resultierende Organ- oder Gewebevergrößerung bezeichnet man als Hyperplasie. Bei der Hypertrophie werden im Gegensatz zur Hyperplasie keine Zellen vermehrt, stattdessen vergrößern sich die Zellen. Dies kann mit einer Polyploidisierung ganzer Chromosomensätze oder einzelner Chromosomen (Aneuploidie) einhergehen. Die Vergrößerung der Zellen dient insbesondere der Vermehrung von Funktionsstrukturen in den Zellen. Der gegenteilige Vorgang der Verkleinerung von Zellen wird als Hypotrophie bezeichnet. Von einer Metaplasie spricht man, wenn eine Gewebeart in eine andere umgewandelt wird. Dabei werden differenzierte Zelltypen umgewandelt, dies geschieht normalerweise durch eine inadäquate Reizung von Geweben. Klinik Metaplasien von Epithelien Das Epithel in den Bronchien zeigt normalerweise hochprismatische Zellen. Durch Rauchen entwickeln sich typische Plattenepithelzellen, die die hochprismatischen Zellen in diesem Bereich verdrängen. Ein anderes Beispiel ist die Verschleimung von Epithelien bei Überdosierung von Vitamin A.

. Abb. 4.7. Proliferationseinheit bei einer differenziellen Zellteilung mit Erhalt einer Stammzelle von Generation zu Generation

Eine weitere Adaption von Zellen auf Umwelteinflüsse ist die Atrophie. Diese stellt eine erworbene Abnahme der Größe eines Organs oder Gewebes dar. Dies geschieht entweder durch Verkleinerung von Zellen (einfache Atrophie) oder durch Verminderung der Zellzahl (zelluläre Atrophie). Bei der Abnahme der Zellzahl liegt meist ein pathologischer Regenerationsmangel vor, die teilungsfähigen Zellen sind geschädigt (. Übersicht 4.5).

69 4.4 · Regeneration und funktionelle Veränderungen

. Übersicht 4.5. Gewebeveränderungen Atrophie

Organ- und Gewebeverkleinerungen durch Verkleinerung von Zellen oder Verminderung der Zellzahl

Hypotrophie

Verkleinerung von Zellen ohne Zellverminderung

Hypertrophie

Vergrößerung von Zellen ohne Zellvermehrung, z. T. mit Polyploidie oder Aneuploidie

Hyperplasie

Organ- oder Gewebevergrößerung durch Vermehrung der Zellzahl (numerische Regeneration)

Metaplasie

Umwandlung einer Gewebeart mit differenziertem Zelltyp in eine andere, normalerweise durch inadäquate Reizung

Klinik Muskelhypertrophie und -atrophie Beim Muskeltraining kommt es zu einer Vergrößerung der Muskelzellen mit einer Vermehrung der Myofibrillen. Bei Minderbelastung bzw. Nichtgebrauch zeigt sich dagegen eine Muskelatrophie. Hier handelt es sich um einen Abbau von Funktionsstrukturen zur Muskelbewegung.

Zelluläre Atrophie Strahlen, Toxine (z. B. Benzol) und Medikamente (z. B. Zytostatika) sind in der Lage, eine pathologische Atrophie der blutbildenden Zellen des Knochenmarks herbeizuführen. Die Folgen sind Leukozytopenie, Thrombozytopenie und Anämie. Eine entsprechende Schädigung der teilungsfähigen Zellen nach Zytostatika kennt man in Haarwurzeln (Haarausfall) und in der Dünndarmschleimhaut.

In Kürze

4 Teilungsfähige Zellen durchlaufen einen mehr oder weniger standardisierten Entwicklungsund Teilungsprozess, den Intermitosezyklus, mit den Phasen G1, S, G2 und der Mitose. 4 Entstandene Fehler werden durch feste Kontrollpunkte (G2-, Metaphase- und G1-Kontrollpunkt) korrigiert. 4 Die Mitose dient der identischen Verdopplung der genetischen Information und deren Weitergabe auf die Tochterzellen. 4 Die Phase der höchsten DNA-Kondensation, die Metaphase der Mitose ist am Besten zur Untersuchung des menschlichen Chromosomensatzes (Karyotyp) geeignet. 4 Unter besonderen Umständen kann die Abfolge »Verdopplung der DNA → Zellteilung« durchbrochen werden. Es gibt sowohl Verdopplung der DNA ohne Zellteilung (Endomi-

tose) als auch das Umgekehrte (Amitose). Auch sekundäre Zellverschmelzung ist möglich (Zellfusion zum Synzytium). 4 Ein Organismus benötigt, sozusagen als Funktionsträger, ausdifferenzierte Zellen und für deren Ersatz teilungs- und entwicklungsfähige Zellen (Stammzellen). Diese können auch pluripotent sein, d. h. sich zu verschiedenen Zelltypen entwickeln. 4 Der Erhalt der Stammzellpopulation erfolgt durch differenzielle Zellteilung. 4 Durch funktionelle Über- oder Unterbelastungen oder durch exogene Einflüsse können Zellen in Geweben oder Organen zur Vermehrung oder Verminderung angeregt werden oder sie können ihr Volumen veränderen. Auch Veränderungen in der Differenzierung sind möglich.

4

5 Meiose (Keimzellbildung) > > Einleitung

5

Bei der Befruchtung verschmelzen zwei Keimzellen miteinander. Damit sich daraus gesundes Leben mit den genetischen Merkmalen der beiden Eltern entwickeln kann, treten bei der Reifung der Geschlechtszellen mehrere Besonderheiten auf.

5.1

Entwicklung der Geschlechtszellen

Wenn die Zahl der Chromosomen in jeder Generationen konstant bleiben soll, so muss der diploide (zweifache) Chromosomensatz (2n), der in jeder Körperzelle des Menschen vorhanden ist, in den Geschlechtszellen auf die Hälfte reduziert werden. Erst dann können die haploide Eizelle (1n) und das haploide Spermium (1n) zur Zygote verschmelzen, die damit wieder einen diploiden Chromosomensatz besitzt (. Abb. 5.1). ! Diesen Vorgang bezeichnet man als Meiose (Reifeteilung). In der Meiose werden im Gegensatz zur Mitose homologe Chromosomen voneinander getrennt und somit der Chromosomensatz auf die Hälfte reduziert. In der Mitose werden dagegen Chromatiden getrennt, der Chromosomensatz wird nicht reduziert.

Die Entwicklung der Geschlechtszellen wird als Spermatogenese und Oogenese bezeichnet. Beide Vorgänge stimmen hinsichtlich der Teilungsfolge und Verteilung der Chromosomen grundsätzlich überein (. Abb. 5.2). 4 Die Urkeimzellen sind wie Körperzellen diploid. Sie führen zunächst zahlreiche mitotische Teilungen durch und produzieren eine große Zahl von Spermatogonien und Oogonien. 4 Diese entwickeln sich weiter zu Spermatozyten I. Ordnung und Oozyten I. Ordnung, beides noch diploide Stadien. 4 Diese Stadien treten nun in die Reduktionsteilung ein, die sich in zwei Reifeteilungen (R I und R II) aufgliedert, und entwickeln sich über Spermatozyten II. Ordnung und Oozyten II. Ordnung 4 entweder zu reifen Spermien oder zu Eizellen und Polkörpern. Jede diploide Spermatogonie bildet somit 4 haploide Spermien, jede diploide Oogonie 1 Eizelle und 3 Polkörper. Bevor wir nun auf die speziellen Verhältnisse, die wir beim Menschen vorfinden, genauer eingehen, ist es notwendig, den entscheidenden Schritt in der Keimzellentwicklung, die Meiose, detailliert zu besprechen.

5.2

Ablauf der Meiose

5.2.1 S-Phase

. Abb. 5.1. Stark vereinfachtes Schema zur Reifeteilung und Befruchtung

Bevor die Geschlechtszellen in die Meiose eintreten, durchlaufen sie eine ähnliche Entwicklung wie gewöhnliche Körperzellen in der Interphase vor einer Mitose. Auch hier finden wir während der letzten prämeiotischen Interphase eine S-Phase, in der die Replikation der DNA stattfindet. Die so vorbereiteten Zellen treten nun in die erste Reifeteilung ein. Die Verteilung der Chromosomen in der Meiose läuft, wie bereits erwähnt, in zwei Teilschritten ab: 4 In der ersten Reifeteilung (R I) werden die homologen Chromosomen, die aus zwei Chromatiden bestehen, voneinander getrennt (. Abb. 5.3).

71 5.2 · Ablauf der Meiose

5

. Abb. 5.2. Vergleichendes Schema von Oogenese und Spermatogenese

4 Die zweite Reifeteilung (R II) entspricht prinzipiell einer Mitose, in der die beiden Chromatiden voneinander getrennt werden (. Übersicht 5.1).

5.2.2 Verlauf der 1. Reifeteilung

verstärkt sich von dieser Phase bis in die Metaphase hinein weiter. Eine Zweiteilung der Chromosomen in die Chromatiden ist noch nicht sichtbar. Jedes Chromosom ist mit beiden Enden, den Telomeren, an der Kernmembran fixiert. Zygotän. Im Zygotän beginnen sich die homologen

Prophase I Die Prophase I lässt sich wiederum in mehrere Teilschritte aufteilen. Leptotän. Die Chromosomen spiralisieren sich und

werden als feine Fäden sichtbar. Die Spiralisierung

Chromsomen (oft von den Enden her fortschreitend) parallel aneinander zu lagern. ! Dieser Vorgang wird als Synapsis bezeichnet und stellt den entscheidenden ordnenden Vorgang in der Meiose dar.

72 Kapitel 5 · Meiose (Keimzellbildung)

5

. Abb. 5.3. Erste Reifeteilung der Meiose

. Übersicht 5.1. Meiose 1. Reifeteilung (R I) Prophase I Leptotän

Sichtbarwerden der sich spiralisierenden Chromosomen Fixierung der Telomeren an der Kernmembran

Zygotän

Synapsis, synaptonemaler Komplex ist für exakte Paarung verantwortlich

Pachytän

Sichtbarwerden von Bivalenten mit 4 Chromatiden = Tetradenstadium Rekombination durch Crossing-over

Diplotän

Lockerung der Parallelkonjugation durch Auflösung des synaptonemalen Komplexes Chiasmata werden sichtbar

Diakinese

Weiteres Auseinanderweichen der homologen Chromosomen

Metaphase I

Formierung der Bivalente in der Äquatorialplatte Auflösung der Chiasmata

Anaphase I

Trennung der homologen Chromosomen und Bewegung zu entgegengesetzten Polen

Interkinese

Bildung zweier haploider Tochterkerne

2. Reifeteilung (R II) Prophase II Metaphase II Anaphase II Telophase II

Entspricht mitotischer Teilung, wobei als Ergebnis die homologen Chromatiden getrennt werden und 4 Zellen mit haploidem Chromosomensatz entstehen



Karyotyp Diploid 4 Chromatiden

Genetische Rekombination unter Erhaltung einer konstanten Chromosomenzahl

Haploid 2 Chromatiden

Haploid 1 Chromatide

73 5.3 · Funktion und Fehlfunktionen der Reifeteilung

Die Chromosomenpaare liegen nun mit den einander entsprechenden Genorten exakt nebeneinander. Dies wird durch die »Schienung« mittels eines proteinartigen Bandes erreicht, an das sich die beiden Schwesterchromatiden anlagern. Die Proteinachsen der homologen Chromosomen liegen dann einander gegenüber. Zwischen ihnen sieht man im Elektronenmikroskop einen Zwischenraum, den synaptonemalen Komplex.

5

pole aus. Da diese Orientierung zufallsgemäß erfolgt, kann sich durchaus in einem ersten Bivalent beispielsweise das Zentromer des väterlichen Chromosoms zu dem einen Spindelpol, in einem zweiten Bivalent zum anderen Pol hin orientieren.

Anaphase I Die gepaarten Chromosomen trennen sich nun und wandern, das Zentromer voraus, aus der Äquatorialplatte polwärts.

Pachytän. In dieser Phase wird erkennbar, dass jedes

Chromosom aus zwei Chromatiden aufgebaut ist, sodass insgesamt 4 parallele Stränge sichtbar werden, die sich paarweise umeinander winden. Man beachte, dass die Chromatiden nicht etwa im Pachytän erst gebildet werden, sie werden lediglich in diesem Stadium sichtbar. Ihre Bildung, d. h. die Replikation der DNA, hat schon vor Beginn der Prophase I in der S-Phase der Interphase stattgefunden. Die gepaarten homologen Chromosomen bezeichnet man als Bivalente. Da sich diese Bivalente aus 4 Chromatiden zusammensetzen, spricht man auch von einem Tetradenstadium. Diplotän. Die Parallelkonjugation lockert sich allmählich wieder. Dabei ist an bestimmten Stellen noch eine Verbindung zwischen den homologen Chromosomen zu erkennen: Dort scheint sich jeweils eine Chromatide mit der des anderen Chromosoms zu überkreuzen. Diese Überkreuzung wird auch als Chiasma bezeichnet. Diakinese. Die homologen Chromosomen weichen

noch weiter auseinander und werden von der Kernmembran abgelöst. Dabei verlagern sich in vielen Fällen die Chiasmata an die Enden der Chromosomen. Diese Terminalisierung entsteht vermutlich unter dem Zug der auseinanderweichenden Chromosomen. Die Chiasmata können dann ganz abreißen oder werden noch bis in die Metaphase aufrechterhalten. Mit der Diakinese ist die Prophase I beendet.

Metaphase I Die homologen Chromosomen formieren sich als Bivalente in der Äquatorialplatte. Die Kernmembran hat sich inzwischen aufgelöst. Die Zentromeren der Chromosomen richten sich nach einem der Spindel-

Interkinese Am Ende der 1. Reifeteilung bilden sich zwei haploide Tochterkerne.

5.2.3 Verlauf der 2. Reifeteilung Bei der zweiten Reifeteilung handelt es sich um eine mitotische Teilung. Sie schließt sich ohne zwischengeschaltete S-Phase unter Umgehung einer Intermitose und einer ausgedehnten Prophase direkt an die Interkinese der ersten Reifeteilung an. Die zweite Reifeteilung trennt die Chromatiden des haploiden Chromosomensatzes der in der ersten Reifeteilung entstandenen beiden Tochterzellen. Die . Abb. 5.4 zeigt den gesamten Verlauf der Spermatogenese im zytologischen Bild.

5.3

Funktion und Fehlfunktionen der Reifeteilung

5.3.1 Verteilung des Erbguts Aus jeder in die Meiose eintretenden diploiden Zelle entstehen 4 haploide Zellen. Das Erbgut wird bereits vor der Meiose in der S-Phase repliziert. Vor dieser Replikation ist jedes aus nur einer Chromatide bestehende Chromosom doppelt vorhanden. Nach der Replikation haben wir 2 homologe Chromosomen, die aus je 2 Chromatiden bestehen, also insgesamt 4 Chromatiden. In der ersten Reifeteilung werden die beiden homologen Chromosomen getrennt, in der zweiten Reifeteilung die homologen Chromatiden jedes dieser Chromosomen auf 4 Meioseprodukte verteilt. Dabei bleibt es dem Zufall überlassen, aus welchen Chromosomen (der väterlichen oder

74 Kapitel 5 · Meiose (Keimzellbildung)

5

. Abb. 5.4. Verlauf der Spermatogenese beim chinesischen Hamster mit charakteristischen Stadien der 1. und 2. Reifeteilung. 1 Spermatogonienmetaphase. 2 Präleptotän.

3 Leptotän. 4 Zygotän. 5 Pachytän. 6 Diplotän. 7 Metaphase I. 8 Metaphase II. 9 Spermatiden. 10 Spermien

mütterlichen Linie) die vier haploiden Chromsomensätze zusammengestellt werden. Im Diplotän werden Chiasmata zwischen homologen Chromosomen erkennbar.

Beim Crossing-over findet in zwei Nicht-SchwesterChromatiden homologer Chromosomen an den gleichen Stellen ein Bruch statt. Diese Bruchstellen vereinigen sich dann über Kreuz. Crossing-over-Prozesse ermöglichen also eine Neuverteilung der Gene innerhalb der Kopplungsgruppe. Durch diesen Vorgang wird die genetische Kombinationsfähigkeit über die zufällige Verteilung der väterlichen und mütterlichen Chromosomen hinaus noch erhöht (. Abb. 5.5).

! Chiasmata sind die zytologisch sichtbaren Folgen eines Austauschs von Teilen des Erbguts, der im sog. Crossing-over der Prophase I stattgefunden hat.

75 5.4 · Spermato- und Oogenese

5

nicht mehr als solche erkannt und können fehlverteilt werden. Dies ist die Hauptursache für den Anstieg der Trisomierate bei Spätgebärenden.

5.4

Spermato- und Oogenese

Nachdem wir nun die Meiose als entscheidenden Schritt der Keimzellenentwicklung kennen gelernt haben, können wir die Morphogenese der Keimzellenentwicklung, wie sie beim Menschen stattfindet, genauer darstellen. Dies trägt wesentlich zum Verständnis der Chromosomenfehlverteilungen des Menschen bei. . Abb. 5.5. Crossing-over und zytologisch sichtbares Chiasma

5.4.1 Entwicklung des Spermiums 5.3.2 Chromosomenfehlverteilungen Sowohl in der 1. als auch in der 2. Reifeteilung kann es zu Chromosomenfehlverteilungen kommen, die beim Menschen zu Trisomien führen, dem Auftreten von 3 homologen Chromosomen. Ursache hierfür sind meiotische Nondisjunction-Prozesse. Nach allgemeiner Annahme haben Chiasmata nicht nur die Funktion der Rekombination durch Crossingover, sondern sind auch zur Erkennung der homologen Chromosomen notwendig. Beispielsweise haben Oozyten eine lange Ruhephase bis zur Befruchtung. Hier können sich offenbar Chiasmata lösen, wobei das Risiko mit zunehmendem Alter der Frau ansteigt. Dadurch werden homologe Chromosomen . Abb. 5.6. Querschnitt durch einen Säugerhoden

Die Spermatogonien legen während ihrer Entwicklung zu reifen Spermien eine räumliche Wanderung im Hoden zurück. Querschnitte des Säugerhodens (. Abb. 5.6) zeigen eine konzentrische Zonierung von Samenkanälchen. Die Spermatogonien nehmen hier eine periphere Lage ein, während ihre Abkömmlinge, solange sie die Spermatogenese durchlaufen, fortschreitend von der Wand der Kanälchen wegwandern. Da bei der Teilung einer Spermatogonie immer nur ein Abkömmling zur Spermatozyte I wird, während der andere den Charakter einer Spermatogonie beibehält, findet bis zum Erlöschen der Geschlechtsfunktion eine Vermehrung der primordialen (bei der Geburt bereits angelegten) Geschlechtszellen statt, die Anzahl der insgesamt erzeugten Spermien ist folglich sehr groß.

76 Kapitel 5 · Meiose (Keimzellbildung)

Beim Menschen sind alle Stammspermatogonien bereits bis zur Pubertätszeit gebildet. Beim geschlechtsreifen Mann treten jede Sekunde eine große Anzahl diploider Spermatozyten in die wenige Stunden dauernde Reduktionsteilung (Meiose) ein und führen zu 4 Spermatiden (runde Zellen mit Plasma). Die Spermatiden entwickeln sich dann ohne weitere Zellteilung zu reifen Spermien. Hierbei machen sie einen bemerkenswerten Differenzierungsprozess durch.

5

! Aus den relativ undifferenzierten Spermatidenzellen entwickeln sich hochdifferenzierte, bewegliche Zellen. Diese Spermien bestehen aus einem Kopf, einem Mittel- und einem Schwanzstück. Der Spermienkopf lässt sich in ein Akrosom und einen Kern unterteilen.

eine Rolle bei der Bewegung des Schwanzstückes spielen, das als Geißel ausgebildet ist (. Abb. 5.7).

5.4.2 Entwicklung der Oozyte Wie . Abb. 5.2 zeigt, sind Spermatogenese und Oogenese genetisch identische Prozesse. Sie dienen beide der Reduktion des Chromosomenbestands von 2n auf 1n und damit der Produktion befruchtungsreifer Geschlechtszellen. Dennoch zeigen beide Prozesse im meiotischen Geschehen eine ganze Reihe von prinzipiellen Unterschieden, wie das Studium der Oogenese des Menschen zeigt (. Abb. 5.8 und . Übersicht 5.2).

Der Kern enthält das genetische Material in Form eines haploiden Chromosomensatzes mit extrem kondensierten Chromosomen. Im Mittelstück liegen zwei Zentriolen (sie sind die späteren Zentriolen der befruchteten Eizelle) sowie Mitochondrien, die

. Abb. 5.7. Schematischer Aufbau eines reifen Spermiums

. Abb. 5.8. Schema der Meiose der Frau

77 5.4 · Spermato- und Oogenese

5

. Übersicht 5.2. Vergleich des Ablaufs der Spermatogenese und der Oogenese

Spermatogenes

Die weibliche Meiose beginnt im Gegensatz zu der männlichen bereits während der Embryonalentwicklung und endet erst Jahrzehnte später nach der Befruchtung der Eizelle. Etwa bis zum 3. Monat der Embryonalentwicklung finden sich in der Keimbahn ausschließlich mitotische Zellteilungen. Dann tauchen die ersten meiotischen Kerne auf. Pachytän- und Diplotänstadien werden im 7. Monat beobachtet. Gleichzeitig beginnen bis zum 7. Monat immer neue Oogonien die Meiose. Nach dem Diplotänstadium entwickelt sich die Meiose nicht wie üblich weiter. Die Chromosomentetraden, die sich nun eigentlich in der Äquatorialplatte anordnen sollten, strecken sich stattdessen und lockern sich unter Erhaltung der Chiasmata wieder auf. ! Die Zellen gehen in ein Wartestadium über (Diktyotän).

Oogenese

Kurze Zeit nach der Geburt befinden sich alle Geschlechtszellen eines Mädchens, das sind etwa 400.000 bis 500.000, in diesem Oozytenstadium. In diesem Ruhestadium können nun die Oozyten für viele Jahre, ja Jahrezehnte, verbleiben. Bis zum Beginn der Pubertät degenerieren allerdings bereits 90% der angelegten Oozyten. Mit Eintritt der Geschlechtsreife nehmen von den verbliebenen Oozyten in der ersten Hälfte des Monatszyklus ca. 10–50, angeregt durch Hormone, die Meiose wieder auf. Darauf folgen die Diakinese, die die Prophase I der ersten meiotischen Teilung beendet, dann die Metaphase I, die Anaphase I, die Telophase I und im Abstand von wenigen Minuten die Prophase II und Metaphase II. In diesem Stadium kommt die Entwicklung erneut zum Stillstand. Zytologisch findet man eine ungleiche Plasmaverteilung zwischen Eizelle und 1. Polkörper. Beide Zellen

78 Kapitel 5 · Meiose (Keimzellbildung)

5

. Abb. 5.9. Befruchtete menschliche Eizelle im Vierzellstadium: Zona pellucida und eine größere Anzahl von Spermien sind gut zu erkennen

bleiben jedoch umschlossen von einer dicken Proteinhülle (Zona pellucida). Einige Stunden nach Erreichen der Metaphase II findet, durch Hormone induziert, die Ovulation (der Eisprung) statt. Üblicherweise verlässt nur eine Oozyte den Eierstock und wird vom Eileiter aufgefangen. Die anderen im gleichen Zyklus herangereiften Oozyten degenerieren. Im Eileiter kann nun das Eindringen des Spermiums und damit die Besamung der Metaphase-II-Oozyte stattfinden. Erst

danach führt die Metaphase-II-Oozyte die Meiose zu Ende, wobei der 2. Polkörper abgetrennt wird. Das jetzt vorliegende Stadium wird als Pronukleusstadium bezeichnet. Jeweils um die haploiden Chromosomensätze der Oozyte und des Spermiums bildet sich eine Kernmembran aus und so entsteht jeweils ein Pronukleus. Anschließend verschmelzen die beiden Pronuklei zum diploiden Zygotenkern, der sich in schneller Folge mitotisch weiterteilt (. Abb. 5.9).

In Kürze

4 Während die Mitose durch DNA-Verdopplung der Zellvermehrung dient, übernimmt die Meiose, durch Halbierung des diploiden Chromosomensatzes in den Geschlechtszellen, die Aufgabe der Aufrechterhaltung der Chromosomenzahl einer Art über die Generationen. 4 Die zweite wichtige Aufgabe der Meiose ist die Rekombination, die Neukombination von Ge-

6

nen der Chromosomen durch Austausch homologer Genloki von Nicht-Schwesterchromatiden. Hierdurch wird genetische Variabilität erreicht die – über die zufällige Verteilung von väterlichen und mütterlichen Chromosomen in der Folgegeneration hinausgehend – die Neukombination von Chromosomenabschnitten erlaubt. In letzter Konsequenz wird hierdurch über

79 5.4 · Spermato- und Oogenese

die Generationen ein autarker Status eines jeden Gens über seine jeweiligen Nachbargene gewährleistet. Dies ist, neben der Entwicklung neuer Gene durch Mutation, die entscheidende Triebfeder der Evolution. 4 Obwohl Spermatogenese und Oogenese genetisch identische Prozesse sind, gibt es entscheidende entwicklungs- und zeitspezifische Unterschiede, vor allem im Ablauf der Meiose. Die Spermatogenese ist ein durch differenzielle Zellteilung induzierter ständiger Fließprozess mit reifen Spermien als Endergebnis, der in der Pubertät einsetzt. Die Meiose der Oogenese dagegen ist ein Entwicklungsprozess, der sich in Abhängigkeit von der Ovulati-

on einer jeweiligen Oozyte über Jahrzehnte erstrecken kann. Die Meiose der Oogenese beginnt weitgehend parallel in allen Oogonien bereits embryonal. Zum Zeitpunkt der Geburt eines Mädchens sind alle Zellen mitten in der ersten Reifeteilung, um dann in ein Ruhestadium überzugehen. Der Wiedereintritt in die Meiose erfolgt dann nach der Pubertät für die sich jeweils in einem Zyklus befindlichen Oozyten, und die Meiose wird erst nach der Besamung abgeschlossen. Dieser Vorgang hat entscheidende Bedeutung für die Zunahme des Trisomierisikos bei Kindern in Abhängigkeit vom mütterlichen Alter.

5

6 Zelltod > > Einleitung Nicht nur um alte oder beschädigte Zellen zu ersetzen, sondern auch zur Bildung neuer Strukturen (u. a. während der Embronalentwicklung) ist es nötig, dass Zellen gezielt abgebaut werden. Hierzu hat die Zelle ein gut kontrolliertes Programm.

6

Apoptose

6.1

Der programmierte Zelltod wurde ursprünglich an B-Lymphozyten nach Behandlung mit Glukokortikoiden beobachtet: Die Zellen schrumpfen, der Kern wird zerschnitten, die Zellmembran zerfällt und die Reste werden phagozytiert. Heute wissen wir, dass die Apoptose, neben der Proliferation und Differenzierung von Zellen, ein ganz normaler Vorgang ist, um ausgeglichene Zellpopulationen zu sichern. Aber auch bei der Embryonalentwicklung ist dies von wesentlicher Bedeutung. So sterben z. B. im Knochenmark und im Darm von gesunden Menschen pro Stunde Milliarden von Zellen. Grundsätzlich ist das Überleben einer Zelle von externen oder internen Signalen abhängig. Unter bestimmten Bedingungen aktiviert sich ein intrazelluläres Selbstmordprogramm, eben der programmierte Zelltod. Dabei ist wichtig, dass durch Apoptose andere Zellen nicht in Mitleidenschaft gezogen werden. Der Inhalt der Zellen wird dichter, die Zelle schrumpft, das Zytoskelett kollabiert, die Kernhülle löst sich auf, die DNA wird zerschnitten und der Kern fragmentiert. Anschließend werden die Zellreste von Nachbarzellen oder von Makrophagen phagozytiert, bevor ihr Inhalt austreten kann. Zellen, die stattdessen nach einer Verletzung sterben, schwellen an und platzen und verteilen ihren Inhalt über die Nachbarzellen (Zellnekrose). Dies kann zu Entzündungsreaktionen führen, was durch apoptotische Vorgänge verhindert wird. ! Der eigentliche Ablauf der Apoptose beginnt mit der Aktivierung einer Proteinfamilie mit dem Na-

6

men Caspasen zu einem frühen Zeitpunkt der Apoptose. Sie sind verantwortlich für die meisten, ja vielleicht sogar alle im Verlauf des Zelltods beobachteten Veränderungen.

Caspasen sind eine Gruppe von Zysteinproteasen, das sind Proteasen mit einem Zysteinrest im katalytischen Zentrum. Diese spalten eine Gruppe von essentiellen Proteinen. Dies sind: 4 Mehr als ein Dutzend Proteinkinasen einschließlich der fokalen Adhäsionskinase, deren Inaktivierung die Zelladhäsion der apoptotischen Zelle verstärkt. 4 Lamine, womit der Zerfall der Kernmatrix und die Schrumpfung des Zellkerns eingeleitet werden. 4 Proteine des Zytoskeletts, wie z. B. die Bestandteile von Intermediärfilamenten (Aktin, Tubulin, Gelsolin) 4 Eine Endonuklease, die die DNA angreift und in Bruchstücke zerlegt. Der Ablauf dieser Kaskade führt zum programmierten Zelltod, der in weniger als einer Stunde abgeschlossen sein kann. Bei den Signalwegen, die zur Apoptose führen unterscheidet man zwischen dem extrinsischen oder todesrezeptorvermittelten Signalweg und dem intrinsischen Signalweg. Bei Ersterem führt die Bindung eines extrazellulären Liganden (z. B. von Tumornekrosefaktor TNF) zur Konformationsänderung eines Rezeptors, welche dann die Bindung und Aktivierung nachgeschalteter Proteine, nämlich der beschriebenen Caspasen, bewirkt. Beim intrinsischen Signalweg, den man auch als den mitochondrienvermittelten bezeichnet, sind es interne Stimuli, die die Apoptose einleiten. Dazu gehören genetische Schäden, eine extrem hohe Ca2+Konzentration, oxidativer Stress oder das Fehlen von Überlebenssignalen. Es werden proapoptotische Proteine der Bcl-2-Familie aus dem Zytosol an die äußere Mitochondrienmembran verlegt, was zur Freisetzung von Cytochrom C führt. Damit wird das entscheidende apoptotische Ereignis eingeleitet. Im

81 6.2 · Nekrose

6

. Übersicht 6.1. Apoptose und Nekrose Apoptose

Programmierter Zelltod, durch andere Zellen ausgelöst und durch »Selbstmordproteasen« ausgeführt

Zweck der Apoptose

Sicherung ausgeglichener Zellpopulationen, Zellersatz, Embryonalentwicklung, unschädliche Beseitigung von Zellen

Nekrose

Platzen oder Zerfall von Zellen mit Entzündungserscheinungen. Von außen ausgelöster Zelltod, häufig durch Wunden

Zytosol angelangt wird Cytochrom C zum Teil eines Multienzymkomplexes (Apoptosekörperchen), zu dem auch Vertreter der Caspasefamilie gehören, durch welche dann die Apoptose eingeleitet wird. Bei beiden Wegen werden also letztlich dieselben Caspasen aktiviert. Wie bereits erwähnt spielt die Apoptose während der Embryonalentwicklung eine bedeutende Rolle. So entstehen unsere Finger und Zehen durch programmierte Zellauflösung. Sie trennen sich erst voneinander, wenn die Zellen in den Zwischenräumen sterben. Auch Nervenzellen werden embryonal im Überschuss gebildet. Nur diejenigen Zellen überleben, die von den Zielzellen, die sie innervieren sollen, die richtigen Signale erhalten. Im Intermitosezyklus wirkt der Transkriptionsfaktor p53 Apoptose induzierend, wenn entstandene DNA-Schäden nicht repariert werden können. Ist das Gen TP53 selbst mutiert, kommt es zur ungebremsten Proliferation.

6.2

Nekrose

Die Nekrose ist der lokale Gewebstod in einem Organismus als Folge einer Stoffwechselstörung, z. B. Sauerstoffmangel oder unter der Einwirkung chemischer, physikalischer oder traumatischer Ursachen. Die Nekrose ist immer mit Entzündungszeichen und in der Regel mit einer Wunde verbunden. Innerhalb der Zellen findet ein degenerativer körnig-bröckeliger Zerfall des Chromatins (Karyorhexis) statt, dem die Karyolyse, also die Auflösung des Zellkerns, bzw. die Kernpyknose folgt, die Verdichtung des Kerns. Schließlich kommt es zur Ruptur, also zum Zerreißen der Zellmembran. Der Zellinhalt ergießt sich über Nachbarzellen, was die Entzündungsreaktionen verursacht (. Übersicht 6.1).

In Kürze

4 Während die Nekrose – meist ausgelöst durch Verletzungen – ein Platzen oder ein Zerfall von Zellen ist, bei dem der Zellinhalt über die Nachbarzellen verteilt wird, was Entzündungsreaktionen zur Folge haben kann, beschreibt der Begriff Apoptose den programmierten Zelltod. Dabei ist die Mehrzahl der Zellen vollständig gesund, wenn sie in die Apoptose geschickt werden. So ist die Apoptose bereits in der Morphogenese ein wichtiger Prozess, da durch sie Lücken im Bauplan eines Körpers eingeführt werden können. Auch Nervenzellen werden embryonal im Überschuss produziert und konkurrieren um

Zielzellen, mit denen sie in Kontakt treten können. In Geweben gleicht der Zelltod die Zellproliferation aus, um die Größe eines Gewebes zu erhalten. Dies sind nur einige Beispiele, um zu verdeutlichen, dass die Apoptose ein völlig normaler Vorgang ist. Der Organismus scheint sehr verschwenderisch mit seinen Zellen umzugehen. Entzieht sich allerdings eine Zelle dem Apoptosebefehl, z. B. durch Mutation oder Verlust des Transkriptionsfaktors p53, so ist eine ungehinderte Proliferation die Folge. Der Verlust des Gens TP53 ist wahrscheinlich die häufigste Veränderung eines einzelnen Gens bei Tumoren.

II

Grundlagen der Humangenetik 7 Organisation und Funktion eukaryotischer Gene

– 85

8 Chromosomen des Menschen

– 139

9 Formale Genetik

– 154

10 Gonosomen

– 176

11 Mutationen

– 182

12 Methoden und medizinische Bedeutung der Gentechnologie – 209 13 Entwicklungsgenetik – 230 14 Populationsgenetik

– 234

85

7

7 Organisation und Funktion eukaryotischer Gene > > Einleitung In der vorhergehenden Sektion haben wir einen Einblick in den Zellaufbau erhalten. Wir haben dabei erkannt, dass die Zelle eine Art biologischer Fabrik darstellt. Mit dem Elektronenmikroskop konnten wir wie bei einer Werksbesichtigung einiges über den Fabrikationsablauf in den einzelnen Werkshallen, den Organellen, erfahren. Wir wollen nun versuchen, eine Dimension tiefer zu gehen, und die Maschinen dieser Fabrik, ihre Steuerung und ihre Produkte näher betrachten. Die molekularbiologische Forschung unserer Zeit erschloss gerade auf diesem Gebiet spannende Zusammenhänge, die unser Verständnis für die Biologie der Zelle beträchtlich vertiefen.

7.1

Träger der Erbinformation

Wie bereits erwähnt bestehen Chromosomen aus Desoxyribonukleinsäure (DNA), Histonen (basischen Proteinen) und nicht-basischen Proteinen. Auch wurde die DNA bereits als Träger der genetischen Information beschrieben (. Übersicht 7.1). Diese Behauptung kann auch mit experimentellen Daten belegt werden. Seit über 100 Jahren ist bekannt, dass die Erbinformation in den Chromosomen lokalisiert ist. Jedoch hielt man viele Jahrzehnte hindurch die Proteine für die Träger der Erbinformation. Experimente

. Übersicht 7.1. Biologische Aufgaben des Erbmaterials Replikation

Präzise Verdopplung während der Zellteilung

Speicherung

Speicherung der gesamten notwendigen biologischen Funktion

Weitergabe

Weitergabe der genetischen Information an die Zelle

Stabilität

Aufrechterhaltung der Strukturstabilität um Erbänderungen (Mutationen) zu minimieren

von Avery und Mitarbeitern lieferten aber im Jahr 1944 den zweifelsfreien Beweis für die DNA als Träger der genetischen Information. Damit wurde die Epoche der molekularen Genetik eingeleitet.

7.1.1 Experimenteller Beweis Die Arbeiten von Avery gründeten sich auf ein Experiment, das von Griffith bereits 1928 durchgeführt worden war und den eigentlichen Beweis für die Behauptung, das genetische Material bestehe aus Desoxyribonukleinsäure, schon erbracht hatte. Die Befunde konnten jedoch erst 1944 richtig gedeutet werden. Griffith arbeitete mit zwei Stämmen von Pneumokokken (Bakterien, die zu den Erregern der Lungenentzündung zählen), einem krankheitserregenden (virulenten) S-Stamm, der sich durch Umhüllung mit einer Polysaccharidkapsel auszeichnet, und einem R-Stamm, der durch Mutation die Fähigkeit zur schützenden Kapselbildung verloren hat und infolgedessen nicht virulent ist (. Abb. 7.1). Er injizierte Mäusen den nicht virulenten R-Stamm zusammen mit hitzegetöteten und damit ebenfalls nicht mehr virulenten S-Zellen. Zu seiner Überraschung starben die Versuchsmäuse an Infektionen, die durch virulente S-Zellen verursacht wurden. Offenbar waren die toten Zellen in der Lage, die Eigenschaft Kapseln zu bilden, auf die lebenden, nicht virulenten R-Zellen zu transformieren und sie damit zu virulenten S-Zellen umzuformen. Aufbauend auf den Befunden von Griffith stellten Avery und seine Mitarbeiter nun gereinigte Bakterienextrakte her und erkannten durch chemische Analysen, dass die transformierende Substanz DNA ist. Weiter stellten sie fest, dass Agenzien, wie z. B. DNase (ein DNA abbauendes Enzym), die Transformationsfähigkeit der DNA zerstören. Proteinschädigende Agenzien blieben dagegen ohne Einfluss. Die DNA übertrug also in den Experimenten von Griffith die Fähigkeit, Kapseln zu bilden, von dem viru-

86 Kapitel 7 · Organisation und Funktion eukaryotischer Gene

7

. Abb. 7.1. Versuche von Griffith, die zur Entdeckung der bakteriellen Transformation führten und den entscheidenden Beweis für die DNA als Träger der genetischen Information lieferten

lenten Donatorstamm auf den nicht virulenten Akzeptorstamm. Damit war der Beweis für die DNA als Träger der genetischen Information geliefert.

7.1.2 RNA als Träger genetischer

Information Außer Desoxyribonukleinsäure kann auch Ribonukleinsäure (RNA) als Träger der genetischen Information dienen. So enthalten viele pflanzen- und tierpathogene Viren keine DNA, sondern ausschließlich RNA.

7.2

Aufbau der DNA

7.2.1 Bestandteile Nukleinsäuren sind Moleküle mit Molekulargewichten in der Größenordnung von Millionen. Durch nukleinsäurespaltende Enzyme (Nukleasen) lassen sich diese Makromoleküle in Untereinheiten spalten, deren Molekulargewicht etwa 350 beträgt. Man bezeichnet diese monomere Untereinheit der Nukleinsäuren als Nukleotid. ! Ein Nukleotid besteht aus: 4 einer spezifischen stickstoffhaltigen Base, 4 einer Pentose, 4 einer Orthophosphatgruppe.

87 7.2 · Aufbau der DNA

. Abb. 7.2. Schema zum Aufbau und zur Nomenklatur eines Nukleotids

. Abb. 7.4. 2’-Desoxyribose der DNA und Ribose der RNA

. Abb. 7.3. Zusammensetzung von Adenosin aus Adenin und Ribose

Die Verbindung von Base und Pentose wird als Nukleosid bezeichnet (. Abb. 7.2). Nukleoside entstehen durch eine N-glykosidische C-N-Bindung mit formaler Wasserabspaltung an der Hydroxylgruppe am C-l’-Atom einer Pentose und an einer NH-Gruppe einer Base (. Abb. 7.3). RNA und DNA unterscheiden sich in ihren Pentosen. RNA-Nukleotide enthalten eine Ribose, DNA-Nukleotide eine 2’-Desoxyribose (. Abb. 7.4). Sowohl bei DNA als auch bei RNA finden sich je 4 stickstoffhaltige Basen, und zwar je 2 Purin- und 2 Pyrimidinabkömmlinge (. Abb. 7.5 und 7.6). Von seltenen Basen abgesehen, gibt es in den einzelnen Nukleinsäuren jeweils nur 3 verschiedene Pyrimidinbasen, dabei kommt die Base Thymin nur in DNA vor, die Base Uracil nur in RNA (. Übersicht 7.2). Chemische und physikochemische Daten zeigen, dass Nukleinsäuren aus langen und unverzweigten Fadenmolekülen bestehen. Hierbei sind die einzelnen Mononukleotide durch Phosphodiesterbindungen zwischen C-3’ und C-5’ der Pentosen miteinander verknüpft. Die Moleküle besitzen also wegen der 3’-5’-Bindungen zwischen Zucker und Phosphat einen Richtungssinn (. Abb. 7.7).

. Abb. 7.5. Purinbasen

. Abb. 7.6. Pyrimidinbasen

. Übersicht 7.2. Zusammensetzung von DNA und RNA

Purinbase

Pyrimidinbase

DNA

Guanin, Adenin

Cytosin, Thymin

RNA

Guanin, Adenin

Cytosin, Uracil

7

88 Kapitel 7 · Organisation und Funktion eukaryotischer Gene

Chargaff entdeckte (1950-1953) eine allgemeine Gesetzmäßigkeit für DNA verschiedenster Herkunft:

. Abb. 7.7. Schematischer Ausschnitt aus einem Polynukleotidstrang

7

. Abb. 7.8. DNA-Nukleotid

! Nukleinsäuren bestehen also aus vielen Bausteinen, den Nukleotiden. Ein Nukleotid setzt sich aus einer stickstoffhaltigen Base, einer Pentose und einer Orthophosphatgruppe zusammen (. Abb. 7.8). DNA enthält die Basen Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T) und als Pentose eine Desoxyribose. RNA enthält in der Regel statt der Base Thymin Uracil (U) und eine Ribose statt Desoxyribose.

! Das molekulare Verhältnis von Adenin zu Thymin und von Guanin zu Cytosin beträgt stets 1:1.

Auf diesen hier nur kurz angedeuteten Befunden basiert im Wesentlichen das 1953 von Watson und Crick aufgestellte und später in Einzelheiten von Wilkins verbesserte DNA-Strukturmodell. Diese drei Wissenschaftler teilten sich 1962 den Nobelpreis für Physiologie und Medizin für ihre Forschung zur molekularen Struktur der DNA (. Abb. 7.9). Danach besteht das DNA-Molekül aus 2 Polynukleotidsträngen, die eine gegenläufige Polarität besitzen und zu einer Doppelschraube umeinander gewunden sind. Jeweils 2 sich gegenüberliegende, zueinander komplementäre und senkrecht zur Halbachse stehende Basen bilden mit ihren Nebenvalenzen Wasserstoffbrücken. Dabei paart sich Adenin stets mit Thymin und Guanin stets mit Cytosin. Der Drehsinn der Spirale bildet eine Rechtsschraube. Dabei weisen die Windungen eine breite und eine schmale Rinne auf. Der Abstand zwischen den aufgestockten Basen beträgt 0,34 nm. Nach jeweils 10 Basenpaaren, also 3,4 nm, ist eine volle Umdrehung erreicht (. Abb. 7.10). Die gegenläufige Polarität bedeutet, dass in einem Polynukleotidstrang die Sequenz C-3’-Phosphat-C-5’ ansteigend, in dem anderen abfallend verläuft. Die Stabilität der Helix beruht auf Stapelkräften, die zwischen den hydrophoben Seiten eng beieinanderliegender Basen auftreten, und nicht, wie man annehmen könnte, auf den Wasserstoffbrücken komplementärer Basen (. Abb. 7.11, . Übersicht 7.3). . Übersicht 7.3. Struktureller Aufbau der DNA Doppelhelix

2 Polynukleotidstränge sind zu einer Doppelschraube umeinandergewunden

Polarität

Beide Stränge besitzen eine gegenläufige Polarität

Basenpaarung

Spezifische Basenpaarung: A mit T und G mit C

Drehsinn

Gegen den Uhrzeigersinn aufsteigender Drehsinn, eine volle Umdrehung ist nach 10 Basenpaaren erreicht

Stabilität

Hydrophobe Bindungen beieinanderliegender Basen schaffen den Zusammenhalt

7.2.2 Strukturmodell der DNA Kristallographische Untersuchungen (Beugung von Röntgenstrahlen) zeigen, dass die DNA eine Schraubenstruktur besitzt. Weiter lässt sich aus den Daten für Durchmesser und Ganghöhe der Schraube einerseits und für Masse und Länge des Moleküls andererseits belegen, dass es sich um eine Doppelschraube (Doppelhelix) handeln muss.

89 7.3 · Replikation der DNA

7

. Abb. 7.9. Molekulare Struktur der Nukleinsäure. Reproduktion der Originalpublikation. (Nature 1953, Vol. 171, pp 737-738)

7.3

Replikation der DNA

Der Vermehrungsmechanismus der DNA wird als Replikation bezeichnet. Die große biologische Bedeutung dieses Vorganges liegt darin, dass durch ihn die Information des elterlichen Erbguts (Genom) auf die Nachfolgegeneration übertragen wird. Nach dem Watson- und Crick-Modell zeigt die DNA gerade bezüglich der Replikation einen großen Vorteil. Durch die Komplementarität der Basen ist nämlich die Information im DNA-Molekül doppelt und in jedem Polynukleotidstrang einmal vorhanden. Grundsätzlich ist die Information eines Strangs aus-

reichend, um die Basensequenz des anderen zweifelsfrei anzugeben.

7.3.1 Aufspreizung der Doppelhelix Mehrere Enzyme sind an dem Vorgang der Replikation beteiligt. Sie sind bei Prokaryoten als Replikationskomplex an die Zellmembran gebunden. Zunächst öffnet sich das DNA-Molekül nach der Art eines Reißverschlusses. Dabei besteht der erste Schritt zur Öffnung des DNA-Moleküls in der Aufwindung der Doppelhelix durch eine Helikase. Zur

90 Kapitel 7 · Organisation und Funktion eukaryotischer Gene

7

. Abb. 7.10. Struktur der DNA

Verminderung der Spannung setzt dabei eine Topoisomerase gelegentliche Einzelstrangbrüche in die DNA. Die Doppelhelix wird von einem weiteren Enzym geöffnet, welches die beiden Polynukleotidstränge so spreizt, dass sich die relativ leicht zu trennenden Wasserstoffbrücken lösen. Schließlich stabilisieren DNA-Bindungsproteine die einzelsträngige DNA und verhindern eine neuerliche Nukleotidpaarung. Bei der Öffnung der Doppelhelix stoßen wir auf ein mechanisches Problem. Nach Röntgendiagrammen ist die DNA nämlich eine plektonemische Doppelhelix. Eine plektonemische Helix entsteht, wenn

man zwei Drähte gleichzeitig um einen Stab windet. Zieht man den Stab heraus, so hängen die Drähte in jeder Windung ineinander und müssen für eine Trennung auseinandergedrillt werden (. Abb. 7.12). Die andere Form wäre eine paranemische Doppelhelix. Sie entsteht durch Aneinanderlegen von zwei getrennt gewickelten Stäben. Diese Form ist jedoch in der DNA-Doppelhelix nicht verwirklicht. Eine semikonservative Replikation, die eine Öffnung der Spirale voraussetzt, ist bei der biologischen plektonemischen Doppelhelix nur möglich, wenn entweder eine Rotation um die Zentralachse erfolgt, wobei ein Ende der Helix festgehalten werden müss-

91 7.3 · Replikation der DNA

. Abb. 7.11. Paarung komplematärer Basen durch zwei bzw. drei Wasserstoffbrücken

. Abb. 7.12. Modell der plektonemischen Doppelhelix

te, oder es müssten DNA-Einzelstrangbrüche auftreten, die durch Reparaturenzyme wieder geschlossen werden, sobald der andere Strang die Kettenöffnung passiert hat. Die letztere Möglichkeit würde jedoch eine sehr hohe Zahl an Brüchen bedeuten, was bisher nicht nachgewiesen werden konnte. Daher wird heute die erste Möglichkeit, nämlich die Rotation favorisiert, wobei die erwähnten gelegentlichen Einzelstrangbrüche wie drehbare, die Rotation nicht weiterleitende Gelenke wirken.

7.3.2 Replikation mittels Polymerasen Nach der Öffnung der Doppelhelix entstehen neue Stränge der richtigen Sequenz, indem sich jede einzelne Base der beiden getrennten Stränge das Nukleotid mit der zu ihr passenden komplementären Base aus der Zelle sucht. Der parentale Strang dient gleichsam als Matrize für den neu zu syntheti-

7

sierenden Strang (. Abb. 7.13). Dabei paart sich je ein Strang der parentalen DNA mit einem neu synthetisierten Strang. Dieser Vorgang wird als semikonservative Replikation bezeichnet. Die Polarität der beiden Elternstränge ist durch die Position der 5’- und der 3’-Enden gekennzeichnet. Die Replikation pflanzt sich in der Replikationsgabel fort, wobei die Synthese des linken Tochterstrangs kontinuierlich ablaufen kann. Sie wird durch die DNA-Polymerase α (bei Bakterien Polymerase III) ermöglicht. Anders ist dies bei der Synthese des rechten Tochterstrangs. Sie verläuft von oben nach unten, wobei nur kurze DNA-Stücke synthetisiert werden (sog. Okazaki-Stücke). Somit muss zwangsläufig alle paar hundert Nukleotide ein neues DNA-Stück anfangen. Dieses wird dann mit dem vorher synthetisierten durch DNA-Polymerasen verknüpft, die das 3’-Ende eines DNA-Stücks mit dem 5’-Ende eines zweiten DNA-Stücks verbinden. Interessanterweise kann aber keine der vier gefundenen DNAPolymerasen (α, β, γ, δ) eine DNA-Kette neu anfangen. Sie können nur ein Desoxynukleotid an das 3’Ende einer schon bestehenden Kette anhängen, die man als Primer bezeichnet. Dies bedeutet, dass die DNA-Polymerasen nur das Kettenwachstum, nicht jedoch den Kettenanfang durchführen können. Es ist eine interessante Entdeckung, dass diese Primer-Stücke, von denen aus die DNA-Synthese ablaufen kann, nicht aus DNA, sondern aus RNA bestehen. ! Das Enzym, das diese Primer macht, ist keine DNA-Polymerase, sondern eine RNA-Polymerase (Primase).

7.3.3 Reparatur durch Polymerase DNA-Polymerasen wiederum, nämlich die DNAPolymerase β (bei Bakterien Polymerase I) haben noch eine andere spezifische Funktion bei der Replikation, die RNA-Polymerasen nicht haben: Diese Enzyme können ein falsch eingebautes Nukleotid wieder herausschneiden und durch ein richtiges ersetzen; sie besitzen eine 3’-Exonukleaseaktivität. Durch diesen Reparaturmechanismus kann die Mutationsrate entscheidend gesenkt werden.

92 Kapitel 7 · Organisation und Funktion eukaryotischer Gene

. Abb. 7.13. Replikationsmodell der DNA

7

Mit dieser Erkenntnis gewinnt auch die Tatsache, dass der Primer als RNA-Fragment gemacht wird, eine andere Bedeutung. Wenn er nämlich seine Funktion erfüllt hat, kann er wieder durch die RNAspezifische β-Polymerase abgebaut und die so entstandene offene Phosphodiesterbindung mit der

DNA-Polymerase durch DNA-Kettenwachstum geschlossen werden. Hierdurch wird die Fehlerrate über das gesamte Genom möglichst gering gehalten. Die Verbindung der neu synthetisierten DNA-Fragmente zu einem einheitlichen Strang erfolgt schließlich durch eine DNA-Ligase (. Übersicht 7.4).

. Übersicht 7.4. Ablauf der Replikation mit beteiligten Polymerasen

Enzym/Protein

Biologischer Schritt

Helikase

Entwindet die Doppelhelix

Topoisomerase

Entspannt die verdrillte Doppelhelix und setzt Einzelstrangbrüche

DNA-Bindungsprotein

Stabilisiert die einzelsträngigen DNA

Primase (RNA-Polymerase)

Synthetisiert eine kleine PrimerRNA

DNA-Polymerase α (bei Bakterien Polymerase III)

Repliziert durch Kettenverlängerung in 5’-3’-Richtung; komplementäre Anlagerung von Desoxyribonukleosidtriphosphaten an zu kopierende Basen

DNA-Polymerase β (bei Bakterien Polymerase I)

Baut RNA-Primer ab und repariert (Exonukleaseaktivität) falsch eingesetzte Basen

DNA-Ligase

Verbindet DNA-Fragmente zu einheitlichem Strang

Replikation mitochondrialer DNA DNA-Polymerase γ

Repliziert ausschließlich in Mitochondrien

DNA-Polymerase δ

Funktion unklar

93 7.4 · DNA-Reparatur

7

7.3.4 Übertragung des Erbguts Zusammenfassend lässt sich also feststellen, dass die DNA nach dem Watson- und Crick-Modell alle Erfordernisse an das genetische Material erfüllt. Die DNA erlaubt die Informationsspeicherung, sie besitzt die Möglichkeit der identischen Replikation und der Reparatur und somit der Weitergabe des Erbguts. Als Grenzfall können gewisse Fehler (Mutationen) auftreten (. Übersicht 7.1).

7.4

. Abb. 7.14. Bildung von Zyklobutandimeren zwischen benachbarten Pyrimidinen

DNA-Reparatur

7.4.1 Folgen von Replikationsfehlern Veränderungen der DNA können spontan oder induziert entstehen. Wir werden diese Prozesse und ihre Folgen für den Menschen im 7 Kap. 11 noch näher betrachten. Mutationen stellen einerseits zweifellos den Motor der Evolution dar. Andererseits benötigt aber auch dieser Motor eine gewisse Regulation, da sonst Mutationen in unkontrolliert hohem Maße dem Organismus keine Chance zum Überleben gäben. Zur Korrektur von Replikationsfehlern aber auch zur Korrektur von durch Umwelteinflüsse induzierten Veränderungen an der DNA wurden im Verlaufe der Evolution DNA-Reparaturmechanismen entwickelt. Sie sind wahrscheinlich sowohl als Antwort auf DNA-Kopierfehler (kein System ist perfekt) als auch auf natürliche radioaktive Strahlung entstanden, der die Organismen ja während der gesamten Existenz biologischen Lebens ausgesetzt sind. Allerdings dürfen diese Systeme auch nicht überlastet werden, da sie in der Regel zwar ein »Normalmaß« von Fehlern bewältigen können, durch zivilisatorische Entwicklung bedingte höhere Mutationsraten jedoch nicht oder nur unzureichend reparieren können. Die Folgen hieraus sind mehr Aborte, genetisch geschädigte Kinder und ein größeres Tumorrisiko.

7.4.2 DNA-Reparaturmechanismen Ultraviolette Strahlen (auch kosmische Strahlen) führen zu einer Reihe von Veränderungen in den Nukleotidbasen. Dabei ist die Hauptwirkung die Bil-

dung von Zyklobutandimeren zwischen benachbarten Pyrimidinen. Dies führt zu einer Veränderung in der Geometrie der DNA-Doppelhelix (. Abb. 7.14). Bei E. coli-Zellen konnte man ein Enzym nachweisen, das sich an das Pyrimidindimer bindet und das Dimer nach Aktivierung durch sichtbares Licht spaltet. Somit repariert dieses photoreaktivierende Enzym zum ursprünglichen Zustand, wobei für die Reaktion sichtbares Licht notwendig ist. Aber auch im Dunkeln finden Reparaturprozesse statt. Der wichtigste davon ist die Exzisionsreparatur. Bei ihr erkennt eine spezifische Endonuklease das Pyrimidindimer und spaltet es auf der 5’-Seite des Dimers. Nach dieser Öffnung schneidet eine Exonuklease das Dimer und einige benachbarte Nukleotide heraus. Die DNA-Polymerase repariert die entstandene Lücke und durch die Ligase wird die Kontinuität des Polynukleotidstrangs wieder hergestellt (. Abb. 7.15). Vielen Patienten, die an Xeroderma pigmentosum leiden, fehlt ein Bestandteil dieses Reparaturwegs (7 Kap. 11.1). Ein weiterer Reparaturweg ist die Postreplikationsreparatur. Durch UV-Strahlen entstandene Pyrimidindimere stören die Replikation, denn die DNA-Polymerase kommt über ein Dimer im Matrizenstrang nicht hinweg. Daher setzt sie erst 1001.000 Nukleotide später wieder ein, was dem diskontinuierlichen Replikationsmechanismus entspricht. Dadurch enthält der replizierte Tochterstrang eine entsprechende Lücke, während der zweite Tochterstrang intakt ist. Durch rekombinationsähnliche Vorgänge kann es nun zu einem Austausch von DNA-Material zwischen beiden Replikationsprodukten kommen und damit zur Herstellung der Strangkontinuität.

94 Kapitel 7 · Organisation und Funktion eukaryotischer Gene

. Abb. 7.15. Schema der DNA-Exzisionsreparatur nach UV-Schäden

7

Beschädigungen der DNA bedingen, wie an Bakterien gezeigt werden kann, eine Reihe von sofortigen Schutzmaßnahmen. Man spricht deshalb von SOS-Reparatur. Hierzu gehören die Synthese eines Inhibitors der Zellteilung, die Synthese eines

Inhibitors für eine Exonuklease, die beschädigte DNA abbaut, aber auch fehlerhafte Reparaturen, auf die hier einzugehen den Rahmen des Textes sprengen würde (. Übersicht 7.5).

. Übersicht 7.5. Auswahl einfach mendelnder genetischer Erkrankungen, für die DNA-Reparaturstörungen angenommen werden

Krankheit

Erbgang

Syndrom

Folgen der Reparaturstörung

Xeroderma pigmentosum

Autosomal-rezessiv

Hautkrebs und Melanome

Mangelhaftes Herausschneiden von Pyrimidindimeren

Fanconi-Anämie

Autosomal-rezessiv

Gehäuftes Auftreten maligner Erkrankungen

Sensibilität gegen Mutagene, die DNA vernetzen

Bloom-Syndrom

Autosomal-rezessiv

Gehäuftes Auftreten maligner Erkrankungen, kleiner Wuchs, Hautkrankheiten im Gesicht

Häufiger Austausch zwischen Schwesterchromatiden bei UVBestrahlung

Ataxia teleangiectasia

Autosomal-rezessiv

Maligne Erkrankungen des Lymphsystems, neurologische und immunologische Störungen, Hautkrankheiten

Häufig spontane Chromosomenaberrationen

Cockayne-Syndrom

Autosomal-rezessiv

Zwergwuchs, vorzeitiges Altern, Hautkrankheiten

Hemmung der DNA-Replikation durch UV-Strahlen

Retinoblastom

Autosomal-dominant

Maligne Neoplasmen der Augen

Besondere Empfindlichkeit von Zellkulturen gegen Röntgenstrahlen

95 7.5 · Genetischer Code

7.5

Genetischer Code

Was der Papyrus für Archimedes, Schnüre für den Inka oder Papier und Kugelschreiber für den modernen Menschen, das ist also die DNA für den lebenden Organismus. Bisher haben wir das Papier kennen gelernt, auf dem die biologische Sprache geschrieben ist. Auch die Schriftzeichen haben wir bereits vorgestellt. Nun ist es an der Zeit, auch lesen zu lernen.

7.5.1 Triplett-Raster-Code Erinnern wir uns an unsere eigene Schrift. Die deutsche Schrift verwendet zur Darstellung ihrer Begriffe 26 verschiedene Buchstaben. Die Natur benutzt zum Aufbau ihrer Proteine 20 verschiedene Aminosäuren. Die Anzahl der Buchstaben, die zur Darstellung eines Begriffs benötigt werden, ist sehr verschieden. So sind für den Begriff »Arzt« nur 4 Buchstaben, für den Begriff »Donaudampfschifffahrtsgesellschaftskapitän« jedoch 42 Buchstaben notwendig. Ganz ähnlich verhält es sich beim Aufbau der Proteine, auch hier wechselt die Zahl der in einer Proteinkette verwendeten Aminosäuren beträchtlich. Die Verwendung von 26 verschiedenen Buchstaben bereitet bei der Codierung der Begriffe oft technische Schwierigkeiten. Der Mensch hat darum zur nachrichtentechnischen Informationsübermittlung noch andere Codesysteme entwickelt, z. B. das Morsealphabet. Hier werden nur drei verschiedene Zeichen verwendet, nämlich der Punkt, der Strich und der Zwischenraum. Dieser Vorteil des Morsealphabets muss jedoch mit einem Nachteil erkauft werden. Man benötigt zur Übermittlung einer Nachricht zwar nur drei verschiedene Zeichen, dafür braucht man zur Darstellung eines Begriffes jedoch eine wesentlich größere Zeichenfolge. Doch wenden wir uns nun dem »Morsealphabet des Lebens«, dem genetischen Code, zu. Auch für die Zelle ist es ungünstig, für die 20 Aminosäuren, aus denen alle Proteine aufgebaut sind, 20 Schriftzeichen zu verwenden. Sie chiffriert die einzelnen Aminosäuren in einem Code ähnlich dem Morsealphabet und nimmt dafür eine größere Zeichenfolge in Kauf. Doch benutzt die DNA nicht drei, sondern vier Zeichen, nämlich die vier verschiedenen Basen (Adenin, Guanin, Cytosin, Thymin).

7

Nun ist leicht nachzuvollziehen, dass nicht ein Nukleotid eine Aminosäure determinieren kann. Auch zwei Nukleotide reichen nicht aus, da sich aus ihnen nur 16 verschiedene Zweiergruppen bilden lassen, also nur 16 Aminosäuren codiert werden könnten. Die benötigte Mindestzahl sind also drei Nukleotide, und genau dieser Triplett-Raster-Code ist auch tatsächlich der von der Natur gewählte Weg. Man nennt dieses Nukleotidtriplett, das für eine Aminosäure codiert, ein Codon. Die Aufeinanderfolge der vier verschiedenen Nukleotide in der DNA ist also nicht zufällig, sondern jedes Nukleotid ist in einer unperiodischen Anordnung wie ein Buchstabe in einer Schrift festgelegt.

7.5.2 Degeneration des Codes Der Triplett-Raster-Code ermöglicht die Konstruktion von 43 = 64 verschiedenen Nukleotidtripletts. Somit stehen also 20 Aminosäuren 64 verschiedene Nukleotidtripletts gegenüber. Dies ermöglicht eine »Degeneration« des Codes: So wird z. B. die Aminosäure Alanin durch die Codons GCG, GCA, GCC und GCU codiert (. Abb. 7.16). Dabei fällt sofort auf, dass sich die verschiedenen Codons für Alanin nur im letzten Nukleotid unterscheiden. Es sieht also so aus, als ob eine Aminosäure durch die beiden ersten Plätze allein im Triplett

. Abb. 7.16. Code-Sonne

96 Kapitel 7 · Organisation und Funktion eukaryotischer Gene

7

bestimmt ist. Eine solche »Degeneration« kann man als logisch bezeichnen. Unlogisch wäre eine Degeneration dagegen, wenn eine Aminosäure durch völlig verschiedene Codons gekennzeichnet wäre. Auch dieser Weg ist in der Natur beschrieben. So wird z. B. Serin durch die Nukleotidtripletts UCU, UCC, UCA, UCG, AGC und AGU codiert. Die ersten vier Tripletts passen als Gruppe in das logische System, genauso die Tripletts 5 und 6. Betrachtet man jedoch alle 6 Codons im Block, so kann die Codierung von Serin insgesamt nicht als völlig logisch betrachtet werden. Ähnliches gilt für Arginin und Leucin. Wir sehen, dass sowohl eine logische als auch in einigen Fällen eine unlogische Degeneration existiert. Die Degeneration des genetischen Codes lässt sich also nur teilweise in ein logisches System bringen, wenn auch die überwiegende Anzahl der Aminosäurecodons durch logische Degeneration gekennzeichnet ist.

7.5.3 Stopp- und Startcodons Drei Codons stehen für keine spezifische Aminosäure. UAA, UAG und UGA sind Stoppcodons. Man bezeichnet sie auch mit ochre, amber und opal. Sie bedeuten Kettenabbruch, bei ihnen kommt also die Proteinbiosynthese zum Stehen. Wichtig ist, dass für den Kettenabbruch nur drei Codons vorhanden sind. Wären es mehr, so würden spontane Mutationen häufig zur Unterbrechung der Proteinbiosynthese führen und damit für den Organismus katastrophale Folgen haben. Es gibt aber auch ein Startcodon. Dieses codiert für die Aminosäure Methionin, welche unter bestimmten Bedingungen den Start veranlasst. Neben AUG kann auch das Codon GUG, welches für Valin codiert, Methioninstart bedeuten (. Übersicht 7.6). . Übersicht 7.6. Aufbau des genetischen Codes Art des Codes

Triplett-Raster-Code mit 4 Basen, welche 64 Möglichkeiten für 20 Aminosäuren ergeben

Degeneration

Überwiegend logisch: schafft durch Variabilität in der Codierung eines Tripletts Toleranz für spontane Mutationen

Stoppcodons

UAA, UAG und UGA

Startcodons

AUG und GUG

Aus Platzgründen muss hier leider auf eine Erörterung der Experimente, die zur Aufklärung des Codes führten, verzichtet werden. Der Interessierte sei hier auf die Lehrbücher der Molekulargenetik verwiesen.

7.6

Aufbau und Definition von Genen

Vergleicht man die Nukleotidsequenz eines Gens bei Prokaryoten mit der Aminosäuresequenz eines Proteins, so stellt man fest, dass die Reihenfolge der Nukleotide des Gens genau mit der Aminosäurefolge im Protein korrespondiert. Die Länge der DNA-Sequenz des Gens hängt also direkt von der Länge des Proteins ab, für das es codiert. Besitzt ein Protein n Aminosäuren, so müssen 3n Basenpaare dafür codieren. Tatsächlich hielt man diesen Aufbau, der aus der Analyse von Prokaryotengenen hergeleitet war, lange Zeit für allgemeingültig. Eine Generation von Medizin- und Biologiestudenten lernte als schlagwortartige Definition: ein Gen – ein Enzym oder später erweitert: ein Gen – ein Protein.

7.6.1 Aufbau von eukaryotischen

Genen Im Jahr 1977 wurde jedoch dieses einfache Genkonzept erschüttert, als man technisch durch die Entdeckung der Restriktionsenzyme soweit war, auch Eukaryotengene zu untersuchen. Dabei war das β-Globin das erste Gen von Eukaryoten, das ausführlich untersucht wurde. Überraschenderweise entdeckte man durch elektronenmikroskopische Aufnahmen Schleifenbildungen zwischen dem β-Globin, der genomischen DNA und der Copy-DNA (cDNA), die mit Hilfe des Enzyms Reverse Transkriptase aus mRNA erstellt wurde. Diese Schleifen wurden durch genomische DNA-Regionen verursacht, die offensichtlich in der cDNA nicht vorhanden waren, obwohl als Voraussetzung angenommen wird, dass die cDNA tatsächlich eine identische Kopie der mRNA darstellt. Beim β-Globingen fand man zwei solcher Regionen, die innerhalb der codierenden Regionen lagen und drei Sequenzen des zugehörigen Proteins

97 7.6 · Aufbau und Definition von Genen

7

bzw. der entsprechenden mRNA unterbrachen. Seitdem weiß man:

ring. In der Regel übertrifft die Länge der Introns die der Exons um ein Vielfaches.

! Bei Eukaryoten liegen unterbrochenen Gene vor.

Splicing

In der Zwischenzeit hat man in vielen Genen von Eukaryoten solche Unterbrechungen entdeckt, die man jedoch bisher nie bei typischen Prokaryoten fand. Allerdings konnte man inzwischen bei einem T4-Phagen unterbrochene Gene nachweisen. Daher ist es nicht unwahrscheinlich, dass auch ihre prokaryotischen Wirte solche Gene enthalten, die man bisher nur noch nicht entdeckt hat. Jedenfalls ist dieser Genaufbau für den Menschen die Regel. Nur sehr wenige menschliche Gene haben keine Unterbrechungen, diese sind in der Regel sehr klein (. Übersicht 7.7). Insgesamt gibt es bei menschlichen Genen erhebliche Größenunterschiede.

Exons und Introns Man hat die Sequenzen, die in der mRNA vorhanden sind, als Exons definiert und solche, die dort fehlen, als Introns. Exon- und Intronlängen sind sehr unterschiedlich. In menschlichen Genen sind Exons durchschnittlich 122 bp lang. Dabei ist die Exonlänge unabhängig von der Länge des Gens, so sind auch einige sehr große Exons bekannt. Bei großen Genen ist der Exongehalt dagegen sehr ge-

. Übersicht 7.7. Menschliche Gene (Auswahl), die nicht durch Introns unterbrochen sind Alle 37 Mitochondriengene Histongene Gene für kleine RNA, z. B. die meisten tRNA-Gene Hormonrezeptorgene

S-HT18-Serotoninrezeptor Dopaminrezeptor D1 und D5 Angiotensin-II-Typ-1-Rezeptor α2-adrenerger Rezeptor Formylpeptidrezeptor

Hodenspezifische Expressionsmuster

Phosphoglyceratkinase (PKG2)

Auf dem Wege zwischen Information auf DNA-Ebene und Genexpression muss also noch ein Prozess dazwischengeschaltet sein, den wir zumindest bis heute bei Prokaryoten nicht beobachten konnten. Von der DNA wird eine Kopie in Form von RNA abgelesen, die genau die Sequenz im Genom wiedergibt. Man hat diese RNA auch als heterogene nukleäre RNA (hnRNA) bezeichnet. Diese hnRNA kann allerdings nicht direkt für die Proteinproduktion herangezogen werden: sie ist ein Rohling, der erst noch durch die Exzision der Introns zurechtgeschnitten werden muss. Man hat diesen Vorgang als splicing (deutsch: Spleißen) bezeichnet. Das Ergebnis des Spleißens ist dann eine mRNA, die aus einer Reihe von Exons zusammengesetzt ist. Dabei werden die Exons immer in derselben Reihenfolge hintereinander geordnet, in der sie in der DNA auftreten.

Bedeutung der unterbrochenen Gene Doch welchen Sinn haben die »unterbrochenen« Gene der Eukaryoten mit ihrer in Exons fragmentarisch angeordneten Information? Leider ist man dabei auf Spekulationen angewiesen, da experimentelle Belege, ja sogar Hinweise, fehlen. Möglicherweise könnten unterbrochene Gene Vorteile für evolutionäre Veränderungen bieten. Wir wissen, dass die DNA aufgrund verschiedener Mechanismen erstaunlich flexibel ist. So können DNA-Bereiche von einem chromosomalen Ort ausgeschnitten und in einen anderen eingesetzt oder zwischen homologen Genen ausgetauscht werden. Solche Prozesse könnten dann gefährlich werden, wenn sie Gene zerstören. Kommt jedoch der Austausch von DNA innerhalb der Introns vor, so ist die potenzielle Zerstörung von Informationen limitiert. Eine andere Möglichkeit ist, dass der Austausch von Introns und ihre Rearrangierung im Laufe der Zeit dem Aufbau neuer Gene dient.

Glyzerinkinase (GK) Gen der myc-Familie (MYCL2) Pyruvatdehydrogenase E1a (PDHA2) Glutamatdehydrogenase (GLUD2)

Funktion von Introns Diese Überlegungen schreiben den Introns nur eine indirekte Funktion zu. Dagegen sind viele Molekularbiologen der Meinung, dass Introns einfach

98 Kapitel 7 · Organisation und Funktion eukaryotischer Gene

Nukleotidsequenzen ohne jegliche Funktion sind. Diese Meinung beruht auf folgenden Tatsachen: 4 Alle bisher untersuchten Introns beginnen mit derselben Sequenz von zwei Basen, nämlich G-T, und enden mit A-G. Damit sind Beginn und Ende klar für das Ausschneiden markiert. 4 Mutationen in Basensequenzen nahe oder innerhalb der Intron-Exon-Grenzen führen zu mRNA, die kein funktionsfähiges Protein bilden. 4 Künstlich aus den Exons konstruierte Minigene werden mit einem Promotor häufig genauso effizient exprimiert wie natürliche Gene aus dem Zellkern.

7

Letztere Aussage wird jedoch insofern relativiert, als sich bei der experimentellen Übertragung von Genen in sog. transgene Mäuse herausgestellt hat, dass eine Intron-Exon-Sequenz bessere Chancen hat, tatsächlich auch exprimiert zu werden. Die Gründe hierfür sind allerdings unbekannt. Dennoch sieht es bisher so aus, als ob die Funktion der Introns für die Genexpression weitgehend irrelevant ist. Andererseits wurden aber in wenigen Fällen regulatorische DNA-Sequenzen beschrieben, die innerhalb eines Introns eines Gens liegen. Kürzlich konnte auch mehrfach gezeigt werden, dass Introns katalytische Fähigkeiten besitzen, die in ihrem eigenen Ausschneiden resultieren. So gibt es z. B. bei Pilzen Introns, die sich selbst aus einem VorläuferrRNA-Transkript herausschneiden und die losen Enden der Exons zusammenfügen. Aus diesen Beschreibungen kann zumindest abgeleitet werden, dass nach der Entdeckung von katalytischer RNA die Annahme relativiert werden muss, dass alle biochemischen Reaktionen von Proteinen katalysiert würden. Einige Introns wurden auch innerhalb von Promotor- und Enhancer-regionen entdeckt, welche Gene ein- und abschalten. So könnten Introns auch als Rezeptoren für bestimmte Hormone dienen, die einzelne Gene während bestimmter Entwicklungsphasen aktivieren und in anderen Phasen deaktivieren. Durch die Separierung der Exons für viele verschiedene Proteine in Antikörpergenen schaffen die Introns Flexibilität und ermöglichen Rearrangements von multipel codierenden Regionen, die zur Produktion von mehr als 18 Mio. verschiedenen Antikörpermolekülen notwendig sind.

7.6.2 Gendefinition Die ursprüngliche Gendefinition wurde nicht nur durch den komplizierteren Aufbau der Eukaryotengene erschüttert. Man fand auch bei Pro- und Eukaryoten, bei letzteren allerdings selten, einige Gene, die überlappen und sogar Gene innerhalb von Genen, die bei der Translation die Synthese mehrerer Polypeptide steuern. Auch hat man in den letzten Jahren einige große menschliche Introns gefunden, in denen komplette kleine Gene enthalten sind. Allerdings werden diese meist von verschiedenen Strängen transkribiert. Nicht jedes Gen wird an Ribosomen translatiert, also in ein Protein umgesetzt. Translatiert werden nur Gene, von denen eine mRNA gebildet wird. Dagegen werden Gene für tRNA und rRNA ausschließlich transkribiert. Zusammenfassend kann ein Gen als DNA-Abschnitt definiert werden, der zwischen einem Transkriptionsstart (Promotor) und einem Transkriptionsende (Terminator) liegt (. Abb. 7.17). Diese Definition auf der Basis der Transkriptionseinheit stimmt tatsächlich für viele Gene. Sie wird jedoch dann mangelhaft, wenn mehrere Gene in einer Transkriptionseinheit, gesteuert durch einen Promotor, abgelesen werden. Wir sehen also, dass man heute auf eine klare und griffige Gendefinition verzichten muss. Man kann letztlich ein Gen nur folgendermaßen definieren: ! Ein Gen ist ein Abschnitt der DNA, der ein funktionelles Produkt codiert.

In den meisten Fällen ist dieses Produkt eine Polypeptidkette.

7.6.3 Kontrollelemente

menschlicher Gene Die riesige Anzahl miteinander agierender Gene erfordert in höheren eukaryotischen Genomen bzw. beim Menschen ein ausgeklügeltes Kontrollsystem. Das wesentlichste Kontrollsystem, das ein Gen sozusagen einschaltet, ist sein Promotor. Promotoren sind die Initiatoren der Transkription. Sie liegen in der Regel strangaufwärts vom Gen, oft wenig vom Transkriptionsstart entfernt. Ihr Charakteristikum

99 7.6 · Aufbau und Definition von Genen

7

. Abb. 7.17a,b. a Modellvorstellung zum Aufbau eines Eukaryotengens. b β-Globingen des Menschen mit 3 Exons und 2 Introns

ist eine Kombination kurzer Sequenzen, die von Transkriptionsfaktoren erkannt werden. Weiterhin findet man bei bestimmten Genen häufig etwas strangaufwärts von den Promotoren (ca. 1 kb von der Transkriptionsstartstelle entfernt) sog. Response-Elemente (RE). Die Expression dieser Gene wird von externen Faktoren, wie Hormonen oder Wachstumsfaktoren, bzw. internen Signalmolekülen wie dem cAMP gesteuert. Bindet der entsprechende Signalfaktor an ein solches RE-Element, so kann eine starke Genexpression ausgelöst werden. Die Transkription eukaryotischer Gene kann durch positive Kontrollelemente, die Enhancer, verstärkt werden. Man findet sie bei vielen menschlichen Genen. Negative Kontrollelemente sind dagegen die Silencer. Sie können die Transkriptionsaktivität von Genen unterdrücken, wobei ihr Wirkmechanismus bisher nicht gut verstanden ist.

7.6.4 Pseudogene Neben den aktiven und funktionstüchtigen Genen gibt es viele sog. Pseudogene. Sie entstehen oft bei der Entwicklung von Genfamilien und sind Nukleinsäuresequenzen, die über weite, jedoch nicht über alle Bereiche einem vollwertigen Gen entsprechen. Sie werden aber in der Regel weder transkribiert noch translatiert. Pseudogene sind nicht mehr funktionierende Gene, die ursprünglich durch Genduplikation entstanden sind und anschließend durch Mutationen wie etwa Deletionen modifiziert wurden. Sie bilden

sozusagen den »Mülleimer der Evolution«. Aber so wie manche Schriftsteller Fragmente sammeln, auch wenn sie nicht sofort sinnvoll zu verwenden sind, so entledigt sich auch das Genom dieser Gene nicht. Vermutlich erwies sich im Laufe der Evolution das Sammeln der Pseudogene als nützlicher als eine »Müllbeseitigung«. Denn sie können im Sinne einer Weiterentwicklung modifiziert werden, um wieder transkribiert und zu einem neuen veränderten Protein translatiert zu werden.

7.6.5 Single copy-Sequenzen Gene für die Produktion von Strukturproteinen, Transportproteinen, Hormonen, Rezeptoren, Enzymen, regulatorischen Proteinen usw. liegen in der Regel nur in einer einzigen Kopie vor. Der Mensch besitzt viele Tausende dieser Single copy-Sequenzen. Über 15.000 mendelnde Merkmale, die von Defektzuständen und schweren Erbkrankheiten bis zu Variationen im Bereich des Normalen führen, kennen wir heute. Jährlich wird von Victor McKusick von der John Hopkins School of Medicine in Baltimore ein aktualisierter Katalog dieser Gene herausgegeben. Davon wurden viele bereits chromosomal lokalisiert.

7.6.6 Repetitive DNA-Sequenzen Repetitive DNA-Sequenzen sind solche, bei denen multiple identische oder nahezu identische Kopien von DNA-Basensequenzen vorliegen. DNA-Res-

100

Kapitel 7 · Organisation und Funktion eukaryotischer Gene

triktionsfragmentanalysen zeigen die Existenz von repetitiver DNA in allen Eukaryoten. Unter den repetitiven DNA-Sequenzen im Genom finden sich einerseits Sequenzfamilien, die funktionstüchtige Gene umfassen, andererseits gibt es viele repetitive Sequenzen, die keinen Genen angehören (7 Kap. 7.12).

7.7

7

Transkription der DNA

! Ribonukleinsäure (. Abb. 7.18) unterscheidet sich von Desoxyribonukleinsäure grundsätzlich durch 4 den Besitz von Ribose anstelle von Desoxyribose, 4 den Einbau der Base Uracil anstelle von Thymin, 4 Einsträngigkeit (abgesehen von der tRNA).

In der Zelle gibt es jedoch nicht eine einzige einheitliche RNA, sondern verschiedene Typen von RNA, die völlig verschiedene Funktionen übernehmen. Man unterscheidet: 4 Messenger-RNA (mRNA), 4 Transfer-RNA (tRNA), 4 ribosomale RNA (rRNA). Allen diesen RNA-Typen ist jedoch gemeinsam: 4 Sie werden alle im Kern an der DNA gebildet, die Matrizenfunktion besitzt. 4 Sie dienen alle der Umsetzung der genetischen Information in Polypeptidketten. 4 Dabei bestimmt die DNA die Synthese der RNA, die RNA die der Polypeptide, aus denen letztlich die Proteine entstehen. Der Fluss der genetischen Information von der DNA über die RNA zum Polypeptid wird als das zentrale Dogma der Molekularbiologie bezeichnet. Kürzlich entdeckte man jedoch, dass eukaryotische Zellen, einschließlich Säugern und Mensch, nicht-virale DNA-Sequenzen besitzen, die für Reverse Transkriptase codieren (ein Enzym, das RNA in DNA umschreiben kann). Da zusätzlich bewiesen ist, dass somit einige RNA-Sequenzen als Matrize für die DNA-Synthese fungieren können, gilt dieses Dogma nicht mehr uneingeschränkt, denn hier verläuft der Informationsfluss umgekehrt.

. Abb. 7.18. Ribonukleinsäure

7.7.1 Bildung von Messenger-RNA

(mRNA) Allerdings wird nur ein geringer Teil der gesamten DNA jemals transkribiert. Der Anteil der mRNA an der gesamten RNA der Zelle beträgt etwa 3%. Ihr Molekulargewicht ist sehr unterschiedlich und liegt in der Größenordnung von 100.000 bis einige Millionen. ! Die Messenger-RNA (mRNA) trägt, wie der übersetzte Name »Boten-RNA« bereits sagt, die genetische Information der DNA ins Plasma. Man nennt den Vorgang der Informationsübertragung von DNA auf mRNA Transkription (. Übersicht 7.8).

7.7.2 Prinzip der Transkription Betrachten wir nun den Vorgang der Transkription etwas genauer. Die Biosynthese von Proteinen er-

101 7.7 · Transkription der DNA

7

. Übersicht 7.8. Vorteile der Transkription Informationsübertragung

Die DNA verbleibt im Zellkern, die mRNA überträgt die Information zum Bau der Proteine ins Zellplasma

Informationsselektion

Transkription bestimmter DNA-Abschnitte je nach Bedarf

Informationsmultiplikation

Durch mehrfaches Kopieren kann ein in größerer Menge benötigtes Enzym rasch ausreichend zur Verfügung gestellt werden

folgt im Zellplasma. Die Information über den Bau der Proteine, sozusagen die Konstruktionspläne, liegt jedoch in der DNA im Zellkern, ohne diesen jemals zu verlassen. Von diesen Originalplänen macht nun die Zelle eine Negativkopie in Form einer mRNA. Dabei wird nur einer der beiden DNAStränge, der coding-Strang, in RNA übersetzt. Die RNA-Polymerase unterscheidet, welcher der »sinnvolle« Matrizenstrang ist. Da die wachsende Kette komplementär zum Matrizenstrang ist, hat das Transkript dieselbe 5’-3’-Orientierung wie der zur Matrize komplementäre Strang. Daher wird der coding-Strang auch oft als Gegensinnstrang bezeichnet, der Nicht-Matrizenstrang oft als Sinnstrang.

7.7.3 Regulation der Transkription Bei eukaryotischen Zellen beträgt die Transkriptionsgeschwindigkeit 1,8 kb/min. Insgesamt werden drei unterschiedliche RNA-Polymerasen benötigt, um die unterschiedlichen RNA-Klassen zu synthetisieren. Gene, die für Polypeptide codieren, werden zum überwiegenden Teil von der Polymerase II transkribiert. Allerdings können eukaryotische Polymerasen die Transkription nicht initiieren. Hierzu sind Transkriptionsfaktoren notwendig, die an die DNA binden, und zwar an mehrere kurze Sequenzelemente in der direkten Nähe eines Gens. Diese Abschnitte dienen somit als Erkennungsstellen für die Transkriptionsfaktoren, die dann der Polymerase den Weg weisen. Sie befinden sich häufig stromaufwärts (oft weniger als 200 bp) von den codierenden Sequenzen eines Gens, also am Anfang des Gens, bilden dort eine zusammenhängende Gruppe und werden als Promotoren bezeichnet. Weitere regulatorische Elemente sind die Enhancer. Während der Abstand der Promotoren von der Transkriptionsstartstelle relativ konstant ist, sind

die Enhancer oft mehrere Kilobasen davon entfernt. Promotoren werden niemals transkribiert, Enhancer dagegen können, wie z. B. bei den Immunglobulinen, auch in Introns liegen. Sie binden regulatorische Proteine. Danach findet zwischen Promotor und Enhancer eine DNA-Schlaufenbildung statt, die regulatorischen Proteine können mit dem an den Promotor gebundenen Transkriptionsfaktor und der RNA-Polymerase interagieren und die Transkription verstärken. Im Weiteren gibt es Silencer mit der umgekehrten Funktion. Sie befinden sich sowohl in der Nähe der Promotoren als auch innerhalb des 1. Introns. Bei einigen Genen, die nur in bestimmten Zelltypen oder zu bestimmten Zellstadien exprimiert werden, enthält der Promotor ca. 25 bp stromaufwärts der Transkriptionsstartstelle immer eine TATA-Box, die auch etwas abgewandelt sein kann. Promotoren für Haushaltsgene (Gene, die in der Mehrzahl aller Zellen exprimiert werden) sowie zahlreiche andere Genpromotoren besitzen keine TATA-Box. Hier findet man häufig eine GC-Box. Sie enthält Variationen der Konsensussequenz GGGCGG. Die CAAT-Box (etwa an der Position -80 vom Transkriptionsstartpunkt aus) ist ebenfalls bei Promotoren weit verbreitet und in der Regel der für die Wirksamkeit des Promotors bestimmende Faktor (. Übersicht 7.9). Die RNA-Polymerase wird nun durch die Bindung an die Transkriptionsfaktoren aktiviert und

. Übersicht 7.9. Konsensussequenz ausgewählter Promotorboxen, die von Transkriptionsfaktoren erkannt werden

Box

Konsensussequenz der DNA

TATA

TATAAA

GC

GGGCGG

CAAT

CCAAT

102

Kapitel 7 · Organisation und Funktion eukaryotischer Gene

7

. Abb. 7.19. Transkriptionsstart: Mehrere Transkriptionsfaktoren binden am Promotor direkt neben einem Gen und bringen die RNA-Polymerase in Startposition

beginnt an einer bestimmten Stelle mit der RNASynthese (. Abb. 7.19). Häufig ist dies ein G- oder A-Nukleotid in definierter Entfernung vom Startcodon eines Gens. Oft sind Gene, die transkribiert werden, durch sog. CpG-Inseln gekennzeichnet. Dies ist eine Abkürzung für die Kopplung von C mit G über eine 3’-5’-Phosphodiesterbindung. Es handelt sich dabei um DNA-Bereiche von 1-2 kb Länge, in denen dieses Dinukleotid häufig vertreten ist, während es in der restlichen DNA wesentlich seltener zu finden ist. Die Cytosinreste in den CpG-Dinukleotiden können am Kohlenstoffatom 5 methyliert werden. Die Methylierung wird in der Regel als Transkriptionsverbot angesehen. Ist bei einem Promoter eine CpG-Insel methyliert, so ist normalerweise die Genexpression des dazugehörenden Gens unterdrückt (. Übersicht 7.10).

. Übersicht 7.10. Ablauf der Transkription Transkriptionsgeschwindigkeit

1,8 kb/min

RNA-Polymerasen RNA-Polymerase I-III

Für Transkription der verschiedenen RNA-Klassen

RNA-Polymerase II

Für überwiegende Mehrheit der zellulären Gene

Transkriptionsregulatoren

Promoter, Enhancer, Silencer und Transkriptionsfaktoren

Promotorboxen

TATA-Box GC-Box CAAT-Box

Transkriptionsunterdrückung

Methylierung der DNA, besonders 5-Methylcytosin

103 7.7 · Transkription der DNA

7.7.4 Processing und Splicing der RNA ! Die im Zellkern synthetisierte RNA ist wesentlich größer als die, die man im Zytoplasma an den Ribosomen findet. Es wird eine sehr viel größere Prekursorform produziert, die dann durch das sog. Processing im Verlauf des Transports vom Zellkern zum Zytoplasma, noch im Kern, zur endgültigen mRNA zurechtgeschnitten wird (. Abb. 7.20).

Man bezeichnet die Prekursorform in den verschiedenen Processingstadien als heterogene nukleäre RNA (hnRNA), weil die RNA-Moleküle in der Länge variieren. Von der hnRNA stammt auch eine kleine nukleäre RNA ab: die snRNA (s = small) ist bei der Durchführung des Splicing beteiligt, welches wir weiter unten kennen lernen werden. Beim Menschen wurde man auf diese RNA durch Autoantikörper aufmerksam, die man bei Trägern von systemischem Lupus erythematodes nachweisen kann.

Ablauf des Processing Das Processing (. Übersicht 7.11) beinhaltet sowohl ein Wegschneiden als auch ein Anheften von Grup-

. Abb. 7.20. Transkription eines Gens auf hnRNA und Splicing der hnRNA zur translationsfähigen mRNA. (Cap und Poly-A-Schwanz werden nicht translatiert)

7

. Übersicht 7.11. Processing der mRNA Capping

Anheftung von 7-Methyl-Guanosin an das 5’-Ende, dies ermöglicht spätere Fixierung der mRNA an das Ribosom

Polyadenylierung

Anheftung eines Poly-A-Schwanzes an 3’OH-Ende

Spleißen

Trennung und Zusammenfügung von den Exons mit übersetzbarer Information von den dazwischen liegenden Introns, die nicht übersetzt werden

pen, die im primären Transkript nicht vorhanden waren. Bereits Sekunden nach Transkriptionsbeginn wird ein spezielles Nukleotid, das 7-Methyl-Guanosin über eine Triphosphatbrücke an das 5’-Ende als Cap einer neuen mRNA angefügt. Das Cap dient der Anheftung der mRNA an das Ribosom. Danach werden weitere Nukleotiden an das 3’Ende der Kette mit einer Geschwindigkeit von 3050 Nukleotiden pro Sekunde angeheftet. Direkt nach Beendigung dieser Kette wird eine Sequenz von Nukleotiden abgespalten und 100-200 AMP werden an das 3’-OH-Ende angeheftet. Dieser Vorgang, den man als Polyadenylierung bezeichnet, dient dem

104

7

Kapitel 7 · Organisation und Funktion eukaryotischer Gene

Schutz des primären Trankskripts vor zytoplasmatischen Enzymen. Nach allen Untersuchungen fand man bis heute nur eine einzige mRNA, die im Kern nicht polyadenyliert und ohne Poly-A-Schwanz ins Zytoplasma entlassen wird. Dies ist die mRNA für Histonproteine, die nur eine kurze Überlebenszeit im Zytoplasma haben. Die Modifikation des primären Transkripts dient offenbar dem längeren Überleben der mRNA im Zytoplasma. Nach genauer Betrachtung des Prekursormoleküls ließ sich zeigen, dass dieses im Zellkern im Durchschnitt ca. 5.000 Nukleotide lang ist, während die mRNA im Zytoplasma nur ungefähr 1000 Nukleotide umfasst. Damit war klar, dass im Gegensatz zu Prokaryoten, keine direkte Abhängigkeit zwischen der Länge der DNA-Sequenz des Gens und der Länge des Proteins besteht, für das es codiert. Die Verkürzung des Primärtranskripts bedingt ein Zurechtschneiden der mRNA vor der Translation. Diesen Vorgang, der der Entfernung der Introns dient, haben wir bereits als splicing (Spleißen) angesprochen (. Abb. 7.21).

Splicing der RNA Introns beginnen immer mit GT und enden mit AG. Dies sind die beiden Stellen, an denen das Intron herausgeschnitten wird. Offenbar zeigen sie jedoch nicht allein ein Intron an, bzw. reichen sie zur Intronerkennung nicht aus. So wurde noch eine dritte wesentliche Intronsequenz entdeckt, die für das Spli-

. Abb. 7.21. Das Faktor-VIII-Gen. Offener Balken stellt das Gen dar, die ausgefüllten Teile entsprechen den 26 Exons. Weiterhin sind 10 Restriktionsenzyme mit Schnittstellen aufgetragen,

cing wichtig ist, die sog. branch site. Sie befindet sich nahe am Ende des Introns, maximal 40 Nukleotide vom terminalen AG-Ende entfernt. Das Splicing läuft demnach in 3 Schritten ab: 4 Der 1. Schritt ist die Spaltung der 5’-gelegenen Exon-Intron-Grenze (Donatorstelle). 4 In einem 2. Schritt greift das G-Nukleotid an der Donatorstelle nukleolytisch ein A an der branch site an, es folgt eine Lassobildung. 4 Der 3. Schritt ist die Spaltung der 3’-gelegenen Exon-Intron-Grenze (Akzeptorstelle), das Intron wird als Lasso freigesetzt und die Exonanteile werden zusammengespleißt. Mehrere snRNA-Komplexe führen dabei das Splicing aus. Diese Partikel bestehen aus proteingebundenen snRNA-Molekülen und bilden die Spliceosomen. Diese binden an die Donatorstelle, die branch site und die Akzeptorstelle und führen das Splicing durch (. Abb. 7.22).

Alternatives Spleißen und Spleißmutationen Bei vielen menschlichen Genen werden Spleißstellen alternativ benutzt. Dadurch entstehen verschiedene mRNA-Sequenzen für gewebsspezifische Proteine. Das Calcitoningen ist ein Beispiel hierfür. Eine Kombination aus alternativem Spleißen und alternativer Polyadenylierung führt zu unterschiedlichen Genprodukten. In der Schilddrüse wird Calcitonin gebildet, das im Blut den Ca2+-Spiegel konstant hält,

die zur Identifikation des Gens führten. Die Balken repräsentieren die DNA-Abschnitte in λ-Phagen (λ) und Cosmidklonen (p)

105 7.7 · Transkription der DNA

7

. Abb. 7.22. Splicing der hnRNA

im Hypothalamus wird dagegen das sog. calcitoningenverwandte Peptid gebildet, das neuromodulierend und trophisch wirken kann. Auch können Spleißmutationen die Spleißstellen inaktivieren oder zu einer kryptischen Spleißstelle aktivieren. Ein Beispiel hierfür ist die β-Globin-Mutation D26K im Hämoglobin E. Sie verursacht unerwarteter Weise eine β-Thalassämie. Das Codon 26 liegt in der DNA-Sequenz in der Nähe der Spleißdonatorstelle im Codon 30. Die Substitution G⇒A vermindert die Effektivität der Spleißreaktion.

7.7.5 Transfer-RNA (tRNA) ! Die Transfer-RNA (tRNA) macht etwa 10% der gesamten RNA der Zelle aus. Sie ist für den Aminosäuretransport zuständig. Ihre Aufgabe besteht somit darin, aus dem Zellraum Aminosäuren aufzunehmen und an den Syntheseort der Polypeptidketten zu bringen, wo sie dann entsprechend der Matrizenvorschrift der mRNA zusammengebaut werden.

Aufbau der tRNA tRNA-Moleküle besitzen etwa die Form eines Kleeblatts (. Abb. 7.23), sind aus 75–90 Nukleotiden aufgebaut und haben ein Molekulargewicht von etwa 30.000. Betrachtet man tRNA verschiedener Orga-

nismen und verschiedener Aminosäurespezifität, so fällt bei allen bisher bekannten tRNA-Spezies eine Reihe von Gemeinsamkeiten auf. Der Stiel des Kleeblatts hat am 3’-Ende der Nukleotidkette stets die Basensequenz 5’ … XCCA3’. Dabei bedeutet X an 4. Position vor dem Ende, dass hier in den einzelnen tRNA-Spezies verschiedene Basen auftreten. An dieses 3’-Ende wird die für jede tRNA spezifische Aminosäure angeheftet. Am 5’Ende steht immer ein pG. Die mittlere Kleeblattschleife ist durch ein für die angeheftete Aminosäure charakteristisches Basentriplett gekennzeichnet. Dieses als Anticodon bezeichnete Basentriplett ist komplementär zu dem Triplett, das die entsprechende Aminosäure auf der mRNA codiert, und dient zum Ablesen der mRNAMatrize. Eine weitere Gemeinsamkeit aller tRNA-Moleküle ist die Existenz einer großen Anzahl seltener Basen neben den vier Standardbasen. Da diese seltenen Basen keinen komplementären Partner finden können, garantieren sie die Einzelsträngigkeit der entsprechenden Regionen. Eine seltene Base, ψ, liegt in der TψC-Schleife, die eine wichtige Rolle bei der Anheftung der tRNA an das Ribosom spielt. An der DHU-Schleife finden wir die seltene Base Dihydroxyuridin. Diese Schleife ist hauptsächlich für die Anlagerung der tRNA an die Synthetasen verantwortlich.

106

Kapitel 7 · Organisation und Funktion eukaryotischer Gene

. Abb. 7.23a,b. a tRNA der Aminosäure Serin, b Modell der dreidimensionalen Struktur einer tRNA

7

Processing der tRNA

Kopplung der Aminosäuren an tRNA

Ein ähnliches Processing, wie bei der mRNA beschrieben, findet auch bei tRNA-Molekülen statt. Das primäre Transkriptionsprodukt ist auch hier größer. Zunächst werden mehrere tRNA in einem Molekül synthetisiert. Dieses wird dann in die einzelnen tRNA gespalten, die 5’- und 3’-terminalen Sequenzen werden durch Processingenzyme entfernt. Beim Menschen wird die tRNA von 497 Genen codiert. Die seltenen oder modifizierten Basen sind nicht im ursprünglichen Transkriptionsprodukt vorhanden, sie werden im Zuge des Processing durch Umwandlung der gängigen Basen gebildet.

Wie erkennt nun eine bestimmte Aminosäure ihre tRNA? Der erste Schritt ist die Aktivierung der Aminosäure mit Hilfe von Adenosintriphosphat (ATP), vermittelt durch das Enzym AminoacyltRNA-Synthetase. Für jede tRNA existiert mindestens ein solches Enzym. Nun lagern sich die Aminosäuren und ATP zusammen. Dadurch entsteht Aminoacyl-AMP, in dem der Aminosäurerest aktiviert ist, sowie Pyrophosphat. Als nächstes erkennt die Aminoacyl-tRNA-Synthetase an der spezifischen Tertiärstruktur die Dihydroxyuridinschleife der zu ihr gehörenden tRNA. Das Enzym

107 7.7 · Transkription der DNA

richtet die tRNA so aus, dass eine freie Hydroxygruppe der Ribose des endständigen Adenosins in den Bereich des Aminoacyl-AMP gelangt. Schließlich wird der Aminosäurerest auf die Ribose des Adenosins der tRNA unter Freisetzung von AMP übertragen, und die Synthetase löst sich für neue Reaktionsvermittlungen. Die Aminosäure ist an ihre tRNA gekoppelt und kann mit Hilfe des Anticodons richtig in ein Polypeptid eingebaut werden.

7.7.6 Ribosomale RNA (rRNA) rRNA wird an Chromosomenabschnitten synthetisiert, an denen eine vielfach wiederholte Folge von Genorten für rRNA vorliegt. Die große Zahl redundanter Gene für rRNA ist wegen der großen Menge der benötigten rRNA notwendig. Man bezeichnet die Chromosomenabschnitte, auf denen die Gene für rRNA lokalisiert sind, als Nukleolusorganisatoren.

7

! Den größten Anteil an der gesamten RNA der Zelle hat mit 80–85% die ribosomale RNA (rRNA). Sie ist, wie der Name bereits sagt, ein Bestandteil der Ribosomen, die aus der rRNA und aus Proteinen bestehen.

Processing der rRNA Auch bei der rRNA findet ein Processing aus Prekursormolekülen statt. Beim Menschen wird ein langes Primärtranskript mit einer 28 S-, einer 18 S- und einer 5,8 S-Einheit gebildet. Im ersten Schritt des Processing wird, enzymatisch vermittelt, ein Schnitt zwischen der 18 S- und der 5,8 S-Einheit durchgeführt und das Intron entfernt. Dann wird die 5,8 SrRNA an die 28 S-Einheit gebunden, die zusammen mit ihr, sowie einer 5 S-rRNA, die separat transkribiert wird, und 49 Proteinen die größere 60 S-Untereinheit eines Ribosoms bildet. Die 40 S-Untereinheit ist nur aus 18 S-rRNA und 33 Proteinen aufgebaut. Zusammengefügt bilden beide Einheiten das 80 S-Ribosom der Eukaryoten (. Abb. 7.24 und . Übersicht 7.12). Bei Prokaryoten besteht die rRNA

. Abb. 7.24. Processing der rRNA für Ribosomen von Eukaryoten

. Übersicht 7.12. Entstehung der verschiedenen RNA-Arten

Messenger-RNA

Transfer-RNA

Ribosomale RNA

Genebene

Produktion einer größeren Prekursorform

Produktion mehrerer tRNA in einem Molekül

Produktion einer 28 S-rRNA, einer 18 S-rRNA, einer 5,8 S-rRNA und einer 5 S-rRNA

Processing

Capping und Polyadenylierung, Splicing von Introns und Exons

Spaltung in einzelne tRNA, Entfernung der terminalen Sequenzen und Bildung der seltenen Basen

Zusammenfügen zur 60 S-und 40 S-Untereinheit

108

Kapitel 7 · Organisation und Funktion eukaryotischer Gene

in der 50 S-Untereinheit aus 23 S-rRNA und 5 SrRNA. In der 30 S-Untereinheit kommt nur die 16 SrRNA vor.

7.7.7 Hemmung der Transkription

7

Die Transkription kann durch verschiedene Antibiotika gehemmt werden. So bindet Rifamycin die prokaryotische DNA-abhängige-RNA-Polymerase. Dies führt zu einer Blockierung der RNA-Synthese, allerdings nur bei Prokaryoten. Das Gift des Knollenblätterpilzes α-Amanitin hemmt die RNA-Polymerase II bei Eukaryoten. Außerdem sind Stoffe bekannt, die direkt mit der DNA interagieren und so die Nukleinsäuresynthese hemmen, wie z. B. Actinomycin.

7.8

Genregulation, differenzielle Genaktivität

7.8.1 Regulation der Genexpression Bei der Beschreibung der Transkription wurden bereits die Transkriptionsfaktoren als regulatorische Elemente beschrieben, die oft von weit entfernten Genen transkribiert werden und erst an die Promotorregion wandern müssen. Auch die Enhancer und Silencer wirken regulierend: Sie binden Proteine, die der Genregulation dienen. Zusätzlich gibt es Unterschiede zwischen transkriptionell aktiven und inaktiven Regionen in der DNA, was sich in der Struktur des Chromatins wiederspiegelt. Inaktives Chromatin ist stärker kondensiert, wird spät in der S-Phase des Zellzyklus repliziert, außerdem zeigt es eine feste Bindung an das Histon H1. Transkriptionell aktive DNA hat eine offene Konformation, wird in der Regel früh in der S-Phase repliziert, besitzt eine schwache Bindung von Histon H1-Molekülen und eine starke Acetylierung der nukleosomalen Histone. Die Promotoren enthalten keine methylierten Cytosine. Gerade diese Methylierung von Basen, besonders von 5-Methylcytosin, ist eine ganz besondere Eigenart des Wirbeltiergenoms. Die DNA anderer Eukaryoten, wie z. B. die der Fruchtfliege Drosophila, ist nicht methyliert. Man bringt diese Methylierung mit einer Unterdrückung der Transkription in

Verbindung. Sie ist an selektiven Repressionsmechanismen für nicht zu transkribierende Gene beteiligt. Andere Regulationsmechanismen, wie die durch (Steroid)Hormone, wurden in 7 Kap. 3.2 bereits angesprochen. Auch Mutationen können die Genexpression beeinflussen. Die testikuläre Feminisierung verdeutlicht dies eindrucksvoll. Ursache ist eine Mutation im Androgenrezeptor mit der Konsequenz, dass keine mRNA für Testosteron produziert wird.

7.8.2 Differenzielle Genaktivität ! Die Zelldifferenzierung ist im Wesentlichen ein Vorgang der differenziellen Genaktivität, d. h. in Zellen, die sich unterschiedlich entwickeln, werden unterschiedliche Gene aktiviert oder unterschiedliche Gene inaktiviert.

Dabei hat zwar – von Ausnahmen abgesehen – weiterhin jede Zelle die gesamte genetische Information, genauso wie die ursprüngliche Zygote, sie kann aber nur einen Teil dieser Information »abrufen«. Die verschiedenen Zelltypen werden also genetisch unterschiedlich reguliert. Die . Übersicht 7.13 verdeutlicht die möglichen regulierenden Schritte. Besonders die Ontogenese (Keimentwicklung) ist durch ständige Veränderungen des Phänotyps gekennzeichnet. Sie beginnt mit den ersten Furchungsteilungen und setzt sich über embryonale, fetale und Jugendstadien bis zu den Stadien höchster Differenzierung fort. Dabei ist ein und derselbe Genotyp in der Lage, sehr verschiedene Phänotypen in gesetzmäßiger Abfolge hervorzubringen.

Beispiel Hämoglobin Als Beispiel sei hier das Hämoglobinmolekül genannt, das uns zum Verständnis der Genaktivitäten auf molekularer Ebene hilfreich sein kann. Zu verschiedenen Zeitpunkten der Entwicklung sind nacheinander verschiedene Gene nötig, um die Funktion eines Genprodukts den jeweiligen Entwicklungsprozessen ideal anzupassen. Das Hämoglobinmolekül von Kindern und erwachsenen Menschen (HbA) setzt sich zu 98% aus 2 α- und 2 β-Polypeptidketten zusammen und wird daher als α2β2 bezeichnet. Alle Erwachsenen besitzen

109 7.8 · Genregulation, differenzielle Genaktivität

7

. Übersicht 7.13. Regulation der Genaktivierung Intrazelluläre Regulation Regulation auf DNA-Ebene

Genamplifikation Abbau von Genen in Somazellen Kernverlust

Regulation der Transkription

Steuerung der Bereitstellung von mRNA Negative Genregulation bei Prokaryoten über Repressoren:

Substratinduktion

Positive Genregulation bei Pro- und Eukaryoten:

cAMP

Regulation der Translation

Steuerung der Halbwertzeit der mRNA Steuerung der Faktoren der Proteinbiosynthese

Regulation der Enzymaktivität

Steuerung über das Endprodukt

Endproduktrepression

Interzelluläre Regulation Steuerung über Signale

Hormonregulation Neurotransmitterregulation

darüber hinaus in kleinem Umfang etwa 2% HbA2: dies besteht aus je 2 α- und 2 δ-Ketten und wird als α2δ2 bezeichnet. Die δ-Kette unterscheidet sich nur in 10 Aminosäurepositionen von der β-Kette. Das fetale Hämoglobin (HbF) dagegen besteht aus 2 α- und 2 γ-Ketten (α2γ2). Zum Zeitpunkt der Geburt trägt es mit ca. 80% den Hauptanteil an der Hämoglobinmenge, wird dann aber zunehmend ersetzt, sodass es bereits nach einigen Monaten nur noch wenige Prozent ausmacht (. Abb. 7.25). Man kann bei HbF 2 Varianten unterscheiden: 4 Aγ (mit Alanin), 4 Gγ (mit Glycin). Die γ-Kette unterscheidet sich mit 43 Aminosäuren recht erheblich von der β-Kette. Die α-Kette mit 141 Aminosäuren und die γ-Kette mit 146 Aminosäuren haben 50 Aminosäuren gemeinsam. Weiterhin kommen in den ersten Embryonalwochen noch embryonale Hämoglobine vor: Hb Portland-I, welches durch 2 ζ-Ketten charakterisiert ist (ζ2γ2), Hb Gower 1 mit 2 ζ- und 2 ε-Ketten (ζ2ε2) und Hb Gower 2 mit 2 α und 2 ε-Ketten (α2ε2). In der Aminosäurezusammensetzung gleicht die ζ-Kette der α-Kette, und die ε-Kette hat Ähnlichkeit mit der β-Kette (. Übersicht 7.14). Der Vorteil der embryonalen und fetalen Hämoglobine ist ihre höhere Sauerstoffbindungskapazität, die den Gasaustausch in der Plazenta erleichtert.

. Abb. 7.25a,b. Ontogenese der menschlichen Hämoglobinketten. a Entwicklungsmuster der verschiedenen Globinketten. b Charakteristische Orte der Erythropoese während der Entwicklung. Es bestehen charakteristische Ähnlichkeiten in der Zeitfolge der Entwicklung von Dottersack ε- und ζ-Kette, Leber und Milz und γ-Kette, Knochenmark und ß-Kette

110

Kapitel 7 · Organisation und Funktion eukaryotischer Gene

Klinik Thalassämien Als klinisches Beispiel für die Folgen falscher oder nicht vorhandener Genaktivität seien hier die Thalassämien dargestellt. Mutationen führen zu dieser Gruppe von Hämoglobinopathien, die durch eine ungenügende oder fehlende Synthese der einen oder anderen Hämoglobinkette gekennzeichnet sind. Häufig sind hier Deletionen im Gen mit unterschiedlicher Länge.

7

Man unterscheidet 2 Gruppen von Thalassämien. 4 Thalassämien mit Mutationen im α-Gen 4 Thalassämien mit Mutationen im β-Gen. In diesen Fällen ist die α- oder β-Globinproduktion herabgesetzt oder nicht vorhanden. Bezüglich der klinischen Beschreibung, der regionalen Häufigkeit in früheren Malariagebieten und des vielfältigen Musters genetischer Defekte sei hier auf die Lehrbücher der Humangenetik verwiesen.

Translation

. Übersicht 7.14. Menschliche Hämoglobine von der embryonalen bis zur adulten Entwicklung

7.9

Stadium

Hämoglobin

Struktur

Embryonalphase

Hb Gower 1

ζ2ε2

Hb Gower 2

α2ε2

Hb Portland

ζ2γ2

HbF

α2Gγ2

Die DNA ist Träger der genetischen Information, diese Information ist in Nukleotidtripletts niedergelegt (. Abb. 7.26). Da sich die genetische Information im Zellkern befindet, die Proteinbiosynthese aber im Plasma stattfindet, wird ein Mittler in Form der Messenger-RNA benötigt. Diese Übertragung der Nachricht von der DNA auf die mRNA haben wir als Transkription bezeichnet.

Fetalphase

α2Aγ2 Adultphase

A

α2β2

A2

α2α2

. Abb. 7.26. Übersetzung von Nukleotidtripletts in mRNA und codierte Aminosäuren

111 7.9 · Translation

. Abb. 7.27. Schema der Transkription und der Translation

7

112

Kapitel 7 · Organisation und Funktion eukaryotischer Gene

! Nach der Transkription wird im Zellplasma die Information der mRNA in Proteine umgesetzt. Man bezeichnet diesen Vorgang im Gegensatz zur Transkription als Translation (. Abb. 7.27).

Eine wesentliche Rolle bei der Translation spielen die Ribosomen. Sie sind das bindende Glied zwischen der mRNA und der mit Aminosäuren beladenen tRNA. Man kann sie als die »universellen Druckmaschinen« der Zelle bezeichnen.

7.9.1 Ablauf der Translation

7

Der Vorgang beginnt mit der Bildung des Initiationskomplexes. Die ribosomale 40 S-Untereinheit erkennt das 5’-Cap unter Beteiligung von Proteinen. Sie sucht die mRNA ab, bis sie auf das Startcodon AUG stößt, welches für Methionin codiert. AUG muss aber in die richtige Sequenz eingelagert sein, um als »Start« erkannt werden zu können. Die häufigste Erkennungssequenz ist GCCA/GCCAUGG. Dabei ist offenbar das letzte G und das 3 Nukleotide vor AUG liegende G für die Kennung entscheidend. Anschließend werden die Aminosäuren nacheinander in die sich verlängernde Polypeptidkette eingebaut. Über eine Peptidbindung wird jeweils die Aminogruppe der neu an den Translationskomplex herangebrachten Aminosäure mit der Carboxylgruppe der zuletzt eingebauten Aminosäure verknüpft. (Als Peptidbindung bezeichnet man eine Reaktion zwischen Carboxylgruppe und Aminogruppe zweier Aminosäuren unter Wasserabspaltung.) Diese Reaktion wird mit Hilfe des Enzyms Peptidyltransferase katalysiert, das integraler Bestandteil der großen Untereinheit ist (. Abb. 7.28). Der Vorgang wird solange fortgesetzt, bis die Polypeptidkette fertiggestellt ist und sich vom Ribosom trennt (. Abb. 7.29).

. Abb. 7.28. Peptidbindung zwischen Carboxylgruppe und Aminogruppe zweier Aminosäuren

Übersetzung der Codons Es gibt 64 Codons, aber nur 20 verschiedene Aminosäuren. Der genetische Code ist also degeneriert. Auch gibt es nur etwas mehr als 30 tRNA-Moleküle im Zytoplasma und 22 in den Mitochondrien. Beide können die 64 Codons erkennen. Die ersten beiden Positionen sind hier bei der Paarung von CodonAnticodon entscheidend. In der 3. Position kann es zu Schwankungen kommen. Nach der Wobble-Hypothese sind auch G-U-Paarungen möglich (. Übersicht 7.15); so wird von der A-U- und G-C-Regel abgewichen. Wie erkennt nun die Zelle, dass ein Polypeptid fertiggestellt ist? Das Ende der Polypeptidkette (Termination) wird durch eines der Nonsenscodonen angezeigt, die »Stopp« bedeuten. Für im Kern codierte mRNA sind dies UAA, UAG und UGA (7 Code-Sonne . Abb. 7.16), für in den Mitochondrien codierte UAA, UAG, AGA oder AGG. Die Stoppcodons der Kern-mRNA werden als amber, ochre und opal bezeichnet. Den Bereich zwischen Start- und Stoppcodon bezeichnet man als offenes Leseraster (open reading frame). Es gibt sowohl am 5’- als auch am 3’-Ende der mRNA zwar transkribierte, aber untranslatierte Sequenzen (5’-UTS und 3’-UTS). Dabei sind die 5’UTS in der Regel kürzer als 100 bp, die 3’-UTS normalerweise viel länger. Neben dem 5’-Cap spielen sie offenbar für die Auswahl der mRNA zur Translation eine entscheidende Rolle. Es gibt Hinweise, dass sie als Translationsbeschleuniger wirken und eine hohe Effizienz der Translation bewirken (. Übersicht 7.16). Wie der . Abb. 7.27 zu entnehmen ist, wird die mRNA bei der Translation meist nicht nur durch ein einziges Ribosom »gezogen«, sondern aus »ökonomischen« Gründen durch mehrere nebeneinanderliegende Ribosomen, sodass an einem mRNA-Strang gleichzeitig mehrere Polypeptidketten entstehen. Man bezeichnet den Verband zwischen mRNA und mehreren Ribosomen als Polysomenverband. Wird die Polypeptidsynthese an einer mRNA beendet, so lösen sich die Ribosomen wieder von dieser und stehen im Plasma für die Ablesung eines anderen Messengers und damit für die Produktion einer anderen Polypeptidkette zur Verfügung. Die Ribosomen sind also wirklich universelle Druckmaschinen der Zellen, in die eine

113 7.9 · Translation

7

. Abb. 7.29. Ausschnitt aus einer Polypeptidkette

. Übersicht 7.15. Wobble-Hypothese

. Übersicht 7.16. Ablauf der Translation

Base am 5’-Ende des tRNA-Anticodon

Erkannte Base am 3’-Ende der mRNA

A

Nur U

Bildung des Initiationskomplexes

C

Nur G

G

C oder U

U

A oder G

40 S-Untereinheit des Ribosoms erkennt 5’-Cap und sucht Startcodon AUG, welches in richtige Sequenz eingelagert ist (GCCA/GCCAUGG). Ribosom wird durch die große Untereinheit vervollständigt. Initiationsfaktoren (kleine Proteine) und Energie sind beteiligt

Elongation

Wachstum der Polypeptidkette durch Verknüpfung der von tRNA antransportierten richtigen Aminosäuren durch Peptidbindung unter Katalyse von Peptidyltransferase

Termination

Ende der Polypeptidkette wird bei Kern-mRNA durch die Stoppcodons UAA, UAG und UGA, bei mitochondrialer mRNA durch UAA, UAG, AGA und AGG angezeigt. Nicht-Sinn-Codons führen zum Kettenabbruch

beliebige mRNA als Druckstock eingelegt werden kann.

Wechsel der mRNA Aus Untersuchungen an Bakterien weiß man, dass die mRNA sehr kurzlebig ist. Ihre Halbwertszeit liegt etwa bei 100 s. Die Halbwertszeit der mRNA höherer Organismen ist ebenfalls relativ kurz, wenn sie auch mehrere Stunden beträgt. Was ist der biologische Sinn dieser kurzen Halbwertszeiten? Sie sind eine sehr ökonomische Einrichtung der Zelle. Eine Bakterienzelle z. B. unterliegt häufig Milieuveränderungen, die eine schnelle Adaption der Zelle erfordern. Diese erfordert aber einen schnellen Wechsel der Syntheseleistungen. Wäre die mRNA langlebig, so würden über einen langen Zeitraum immer dieselben Enzyme gebildet (z. B. zum Abbau des Stoffs A), die vielleicht aufgrund eines Milieuwechsels nicht mehr gebraucht werden. Dafür können andere lebensnotwendige Enzyme (z. B. zum Abbau des Stoffs B) nicht gebildet werden. Ist die mRNA jedoch kurzlebig, so werden an der DNA nur so lange neue mRNA-Spezies zum Abbau von A

transkribiert und in die Translation gegeben, wie der Stoff A im Milieu vorhanden ist. Die Ribosomen sind umgehend frei für neue Messenger. Zellen höherer Organismen unterliegen nicht so raschen Milieuveränderungen wie Bakterien, somit ist es günstiger, dass die mRNA höherer Organismen etwas langlebiger ist.

7.9.2

Hemmung der Translation

Die Unterschiede im Aufbau pro- und eukaryotischer Ribosomen wurden bereits beschrieben.

114

Kapitel 7 · Organisation und Funktion eukaryotischer Gene

Ebenso wurde in 7 Kap. 1.2 gezeigt, dass die Mitochondrien prokaryotische Ribosomen besitzen, im Gegensatz zu den Ribosomen der übrigen Zelle. Dies hat Auswirkungen auf die Antibiotikatherapie. Verschiedene Antibiotika greifen nämlich an unterschiedlichen Stellen der Translation ein. So bindet Chloramphenicol an 70 S-Ribosomen und hemmt deren Peptidyltransferase. Puromycin führt dagegen zum Kettenabbruch sowohl bei 70 S- als auch bei 80 S-Ribosomen. Cycloheximid ist ein spezifischer Hemmer der Translation von Eukaryoten, indem es nur die Translation von 80 S-Ribosomen hemmt. Letztere Antibiotika sind daher nur zur experimentellen Anwendung geeignet.

7

7.10

Kartierung und Klonierung von Genen

Grundsätzlich kann man bei der Kartierung von Genen zwischen der physikalischen und der genetischen Kartierung unterscheiden (. Übersicht 7.17).

7.10.1

Physikalische Kartierung nach klassischem Ansatz

Eine physikalische Karte des Menschen besteht natürlich, genau so wie die genetische Karte, aus den 24 Einheiten, die sich aus 22 Autosomen und den Geschlechtschromosomen X und Y ergeben. Allerdings existieren völlig verschiedene Grundprinzipien der Kartierung, die auf den sehr unterschiedlichen Zugangswegen beruhen. Dabei ist das Ziel immer die

Lokalisierung von DNA-Sequenzen auf bestimmte »physikalische« Bereiche von Chromosomen. Die ältesten Methoden der physikalischen Lokalisation von Genen entstammen der klassischen medizinischen Zytogenetik. An erster Stelle wären hier Chromosomenzuordnungen von Genen zu nennen, die auf mikroskopisch erkennbaren Chromosomenstrukturveränderungen beruhen. Durch Untersuchung von Gen-Dosis-Effekten kann man Rückschlüsse auf die Lage eines Gens ziehen, wenn ein Verlust oder eine Vermehrung eines bestimmten Chromosoms oder Chromosomensegments vorliegt. Auch X-chromosomale Gene lassen sich nach einem ähnlichen Muster auffinden. Tritt ein Gendefekt oder eine Genvariante nur im männlichen Geschlecht auf, so ist eine Lage des dazugehörigen Genortes auf dem X-Chromosom wahrscheinlich, da im weiblichen Geschlecht der Effekt durch das intakte zweite X-Chromosom überlagert wird. Männlichen Individuen fehlt aber ein entsprechender Genort, da statt des homologen X-Chromosoms ein Y-Chromosom vorhanden ist. Es ist seit langem bekannt, dass Zellen in der Zellkultur miteinander fusionieren können. Die Zellen verschmelzen miteinander über die Zellmemban und es entstehen zunächst Zellen mit zwei Kernen. Bei der nächsen Mitose kommt es zur Mischung der Chromosomen beider Ursprungszellen. Es entsteht ein tetraploider Zellkern, der allerdings bei den nächsten Mitosen nach und nach überschüssige Chromosomen abgibt. Vor ca. 40 Jahren konnte man diese Beobachtung experimentell systematisieren. Man stellte fest,

. Übersicht 7.17. Methoden der Genlokalisation Physikalische Kartierung Zellhybridisierungstechniken

Vorwiegend Maus-Mensch-Zellhybride. In den letzten Jahren sehr verfeinerte Methoden zur Kartierung

In-situ-Hybridisierung (konventionell)

Radioaktiv markierte DNA wird an Metaphasechromosomen hybridisiert. Häufigkeitsverteilungen nach Autoradiographie führen zur Lokalisation von Single copy-Sequenzen

Fluoreszenz-in-situHybridisierung

In-situ-Hybridisierung mit wesentlich gesteigertem Auflösungsvermögen zur Lokalisation von Single copy-Sequenzen. Neue Anwendung der Methode beim chromosome painting zur Erkennung komplexer Strukturveränderungen, vorwiegend auch zur Tumordiagnostik

Hochauflösende physikalische Kartierung

Z. B. Klon-Contigs, Sequenzierung

Genetische Kartierung

Familiäre Kopplungsuntersuchungen, Restriktionskartierung, Mikrosatelliten, SNPs

115 7.10 · Kartierung und Klonierung von Genen

dass bestimmte Viren die Rate der Zellfusion erheblich steigern können. Am häufigsten benutzte man dazu das Sendai-Virus aus der Gruppe der Paramyxoviren. (Vor dem Experiment wird dessen Virusnukleinsäure zerstört, um eine tödliche Infektion der Zelle zu verhindern. Die Fusionsaktivität wird hierdurch nicht wesentlich beeinflusst.) Zur Lokalisation von menschlichen Genen benutzt man Fusionsprodukte menschlicher Fibroblasten oder Lymphozyten mit bestimmten Mauszelllinien. Wir haben bereits erwähnt, dass bei fusionierten Zellen Chromosomen verloren gehen. Bei den MausMensch-Zellhybriden bleibt der Mauschromosomensatz mit 2n=40 Chromosomen immer vollständig erhalten. Die menschlichen Chromosomen gehen nach und nach verloren, so dass man in Hybridzellen nie 86 (40+46) Chromosomen findet, sondern meist 41–55 Chromosomen. Die übrig bleibenden menschlichen Chromosomen sind eine statistische Auswahl aus dem Chromosomensatz. Dabei gibt es Methoden, den Verlust der menschlichen Chromosomen auch spezifisch zu selektionieren. Isoliert man Hybridzellen mit verschiedenen menschlichen Chromosomensätzen, ist es möglich, ein Set von Hybridzellen zu erzeugen, mit dem man DNA-Sequenzen spezifisch zuordnen kann. Es gibt mehrere Abwandlungen dieser Methode, mit denen man entweder chromosomenspezifische Hybridzellen herstellen kann oder nicht ganze Chromosomen in den Hybridzellen vorfindet, sondern eine subchromosomale Kartierung mit Hilfe von Hybridzellen vornehmen kann, die nur Fragmente von menschlichen Chromosomen enthalten. Aber auch mit den subtilen Methoden aus diesem Bereich braucht man 100–200 Hybridzellen, um eine Karte für ein menschliches Chromosom zu erstellen, was in der Praxis für die Kartierung eines ganzen Genoms mit riesigen Mengen von Hybridzellen nicht durchführbar ist. Die neueste Entwicklung auf diesem Gebiet sind bestrahlungsinduzierte Hybride, die man auch als Bestrahlungshybride bezeichnet. Bei diesem Verfahren werden bei letaler Bestrahlung der Donatorzellen chromosomale Fragmente erzeugt, die anschließend auf Empfängerzellen übertragen werden. Eine Variante verwendet menschliche Fibroblasten als Ausgangsmaterial. Hiermit gelingt es mit 100–200 Hybridzellen vom ganzen Genom eine Karte mit einer gewissen Auflösung zu erstellen.

7

In-situ-Hybridisierung Eine andere Methode zur Lokalisation menschlicher Gene ist die In-situ-DNA-Hybridisierung. Bei dieser Technik wird radioaktive DNA unter bestimmten Bedingungen Metaphasechromosomen beigegeben. Diese DNA bindet dann an Chromosomenabschnitte, in denen die komplementären Sequenzen vorkommen. Um die an Chromosomen gebundene radioaktive DNA nachzuweisen, verwendet man autoradiographische Methoden und wertet die Signale statistisch aus. Die Auflösung der In-situ-Hybridisierung kann mit Fluoreszenzfarbstoffen (FISH, Fluoreszenz-Insitu-Hybridisierung) erheblich gesteigert werden. Man verwendet DNA-Sonden, die durch modifizierte Nukleotide mit Reportermolekülen charakterisiert sind. An diese Reportermoleküle lassen sich fluoreszenzmarkierte Affinitätsmoleküle binden. Über Reportermoleküle mit verschiedenen Fluorophoren und mit technisch hochentwickelten Bildverarbeitungssystemen ist es möglich geworden, mehrere DNA-Klone gleichzeitig zuzuordnen. Die FISH-Technik hat in einer besonderen Form der Anwendung zum sog. chromosome painting geführt. Hier besteht die Sonden-DNA aus vielen verschiedenen DNA-Fragmenten, die von einem einzigen Chromosomentyp stammen. Man erhält solche Sonden durch eine Kombination aller DNAInsertionsfragmente einer chromosomenspezifischen DNA-Bank. Nach Hybridisierung wird das Signal von vielen einzelnen Loki über das ganze Chromosom gebildet. Das ganze Chromosom fluoresziert. Durch verschiedene Fluoreszenzmarker kann man alle Chromosomen und sogar Teilbereiche von ihnen in unterschiedlichen Farben markieren. Chromosome painting findet einen weiten Anwendungsbereich bei komplizierten chromosomalen Umlagerungen, die teilweise bei neu entstandenen Strukturveränderungen oder sehr häufig bei Tumoren vorzufinden sind. Weiterhin lässt sich die Auflösung bei der FISHKartierung durch Hybridisierung von DNA-Sonden an ausgestreckte Chromosomen, künstlich entspiralisierte DNA-Fasern oder an Interphasechromosomen, die entspiralisiert vorliegen, noch steigern. Die bis jetzt beschriebenen Methoden zur physikalischen Kartierung haben Grenzen im Auflö-

116

7

Kapitel 7 · Organisation und Funktion eukaryotischer Gene

sungsvermögen im Bereich einiger Megabasen. Auch die besten Ansätze über Bestrahlungshybriden-Kartierung erreichen keine Auflösung höher als 0,5 Mb. Deshalb wurden sie im Human Genom Projekt durch molekulare Kartierungsmethoden ergänzt. Um die Kartierung menschlicher DNAKlone zu verbessern, wurden zusätzliche Technologien entwickelt. Anstatt das ganze Genom zu benutzen, hat man Chromosomensortierungsmethoden entwickelt. Über Durchflusszytometrie auf der Basis der Zellfraktionierung in FACS-Zellsortern wurden die einzelnen Chromosomen des Menschen sortiert, so dass man chromosomenspezifische DNA-Bibliotheken aufbauen konnte. Eine andere Methode, die Chromosomenmikrodissektion, mechanisch oder über Laserschnitt, ermöglichte die Gewinnung einzelner chromosomaler Teilbereiche.

7.10.2

Hochauflösende physikalische Kartierungsmethoden

! Zur Erstellung der endgültigen physikalischen Karte, also zur Beschreibung der vollständigen Nukleotidsequenz, ist es bei der Moleküllänge beispielsweise eines ganzen Chromosoms notwendig, dieses in ein System sich ergänzender Klone mit DNA-Fragmenten aufzulösen. Dabei müssen sich die Klone überlappen, damit keine Lücken auftreten. Man bezeichnet dies als ein Klon-Contig (. Abb. 7.30).

Bei der Klonierung werden die DNA-Fragmente natürlich auf verschiedene Zellen verteilt, so dass die ursprüngliche Anordnung der Fragmente im Chromosom verloren geht. Mit geeigneten Methoden muss man dann diese Information über die Überlappung der Insertionsfragmente wiedergewinnen. Hier stieß man auf das Problem, dass man zu Beginn der 1990er Jahre nur genomische DNA-Bibliotheken mit Cosmid-Klonen besaß, die eine Insertlänge von bis zu 40 kb hatten, meist anonym waren und überwiegend unkartiert. Hieraus, also aus hunderttausenden von unterschiedlichen Klonen einer menschlichen kompletten DNA-Bibliothek, eine Erstellung von Klon-Contigs zu versuchen, ist ein frustrierendes Unterfangen. Die

. Abb. 7.30. Schematische Darstellung eines Klon-Contigs aus sich überlappenden DNA-Fragmenten

Lösung, die Reduzierung der Klon-Zahl durch Erhöhung der Insertgröße, erforderte die Entwicklung eines neuen Klonierungssystems in künstlichen Eukaryoten-Chromosomen. Man verwendete dazu künstliche Hefechromosomen (YACs, yeast artificial chromosomes), da Hefechromosomen nur kleine originäre Sequenzen benötigen, um die Chromosomenfunktion zu erhalten. Eine Isolierung dieser Sequenzen und ihre Verbindung mit langen menschlichen DNA-Inserts im Megabasenbereich reduzierte die Klonanzahl einer kompletten menschlichen DNA-Bibliothek auf 12.000–15.000 Klone. Eine YAC-Karte von ca. 75% des menschlichen Genoms wurde 1995 mit 225 Contigs einer durchschnittlichen Länge von 10 Mb erreicht. Allerdings sind YACs strukturell sehr instabil. Bei 50% von ihnen fanden sich Veränderungen, so dass sie oft keine verlässliche Repräsentation der genomischen DNA darstellten. Entweder waren Teile deletiert oder es kam zu Rearrangements, also zu einer Umorientierung innerhalb der Sequenz. Ein weiteres Problem war der Chimärismus. Einzelne transformierte Zellen enthielten zwei oder mehr Stücke menschlicher DNA, oft von unter-

117 7.10 · Kartierung und Klonierung von Genen

7

. Abb. 7.31. Strategien der hierarchischen und der ganzen Genom Schrotschuss Sequenzierung

schiedlichen Chromosomen. Man löste dieses Problem durch die Erstellung von Karten mit Markern aus kurzen sequenzierten Bereichen, (sequence tagged sites, STSs). STSs sind einige Dutzend Basenpaare lang und müssen in der gesamten DNA einmalig sein. Außerdem sollen ihre Abstände voneinander gering sein. Dann ist es möglich, jedes physikalisch erfasste Gebiet einer jeglichen Problemregion zu korrigieren, durch STS-Typisierung anderer Arten von Klonen und damit 40–100 kb lange Bruchstücke in die richtige Position zu bringen. Als Vektoren dienen hierbei Cosmide. Bereits 1995 konnte eine menschliche STS-Karte mit mehr als 15.000 STSs und einem durchschnittlichen Abstand von weniger als 200 kb publiziert werden. Neben STSs von genomischer DNA wurden solche von cDNA entwickelt, die man als ETSs (expressed sequence tags) bezeichnet. Damit war ein detaillierter physikalischer Rahmen für das menschliche Genom geschaffen. Nun wurde es notwendig, eine weitere Generation von Klon-Contigs zu schaffen, um DNA-Stücke zu erhalten, die klein genug für eine direkte Sequen-

zierung waren. Als Klonierungssystem wurden hierfür BACs (bacterial artificial chromosomes) und in einem kleineren Ausmaß PACs (P1 artificial chromosomes = künstliche Chromosomen des Bakteriophagen P1) verwendet, welche Insertgrößen zwischen 100 und 250 kb aufnehmen können. Die dafür eingesetzte Schrotschussklonierung schaffte DNA-Sequenzen mit statistisch gestreuten Spaltstellen und allen denkbaren Überlappungen. Dabei basierte die Sequenzierungsstrategie des Human Genom Projekts auf einer hierarchischen Schrotschussklonierung. Dies bedeutet, dass die für die Sequenzierung ausgewählte DNA aus Inserts von individuellen BAC-Klonen bestand, die akkurat auf der physikalischen Karte platziert waren. Craig Venter (Gründer der U.S.Firma Celera Genomics) benutzte die ganze Genom Schrotschuss Sequenzierungsstrategie (. Abb. 7.31), also die Sequenzierung direkt von isolierter genomischer DNA.

118

7.10.3

Kapitel 7 · Organisation und Funktion eukaryotischer Gene

Genetische Kartierung – Kopplungsanalysen

Kopplungsstudien

7

Zur Risikoberechnung für eine bestimmte Erbkrankheit kann man in manchen Fällen Studien über Genkopplung heranziehen. Gene sind auf »Verpackungseinheiten«, den Chromosomen, zusammengefasst. Befinden sich zwei Gene auf verschiedenen, nicht homologen Chromosomen, beobachtet man freie Rekombination. Liegen sie jedoch auf dem gleichen Chromosom, so werden sie häufiger gemeinsam vererbt, als dies bei Unabhängigkeit zu erwarten ist. Man spricht dann von Genkopplung. Je weiter jedoch zwei Gene auf einem Chromosom voneinander entfernt liegen, desto unabhängiger voneinander werden sie vererbt. Mit der Entfernung nimmt die Wahrscheinlichkeit von Crossing-over-Prozessen zu, die Rekombination ist dann die sichtbare Folge eines Crossing-over zwischen daran beteiligten Genen. Je enger zwei Gene auf einem Chromosom nebeneinander liegen, desto häufiger werden sie gekoppelt vererbt. Bei vollständiger Kopplung ist die Rekombinationshäufigkeit 0. Wenn keine Kopplung vorliegt, also freie Rekombination möglich ist, kann sie maximal 0,5 betragen. Die Abstände von Genen werden in Centi-Morgan (cM) gemessen (die Einheit Morgan wurde ursprünglich bei Riesenchromosomen der Fruchtfliege Drosophila melanogaster eingeführt, zu Ehren des Nobelpreisträgers und Drosophila-Genetikers Morgan). Eine Rekombinationshäufigkeit von 1% entspricht etwa einem Abstand von 1 cM oder etwa 1000 Kilobasen (kb) auf der DNA. Die Bewertung von Kopplungsanalysen erfolgt statistisch. Man berechnet sog. LOD-Scores (logarithm of the odds), indem man das Wahrscheinlichkeitsverhältnis aufstellt:

Man drückt dieses Verhältnis meist als Logarithmus mit der Basis 10 aus. Dies ist dann der LOD-Wert. Eine Kopplung wird als signifikant betrachtet, wenn der LOD-Wert über 3,0 liegt, also das Verhältnis der Wahrscheinlichkeiten den Wert 1000 übersteigt. Ein LOD-Wert von -2 oder weniger spricht dafür, dass keine Kopplung vorliegt. In manchen Fällen ist nicht direkt festzustellen, ob ein Mensch für ein pathologisches Gen heterozygot ist. Oft ist dagegen aufgrund vieler Kopplungsstudien bekannt, dass zwei Gene nahe beieinander liegen. Kann nun das Markergen durch pränatale Diagnostik erkannt werden, so lässt sich mit hoher Wahrscheinlichkeit schließen, dass das Kind auch das für die Erbkrankheit codierende Gen besitzt. Beispiel. Es ist möglich, an Amnionzellen eine Bestimmung der HLA-Typen durchzuführen (HumanLeukozyten-Antigene). In Risikofamilien kann so eine Form des adrenogenitalen Syndroms (AGS) nachgewiesen werden, da die HLA-Gene mit dem Gen für die 21-Hydroxylase eng gekoppelt und auf dem kurzen Arm von Chromosom 6 lokalisiert sind.

Genetische Kartierung über Restriktionsfragmentlängen-Polymorphismen Die Wirkungsweise von Restriktionsendonukleasen und ihre Verwendung zur Genotypendiagnostik wird in den 7 Kap. 12.1 und 12.3 ausführlich besprochen. Restriktionsendonukleasen können auch zur Restriktionskartierung benutzt werden, und eine erste Karte wurde bereits 1987 erstellt. Auf einer solchen Karte sind die Reihenfolgen und Abstände der Erkennungsstellen für mehrere Restriktionsendonukleasen eingetragen. Ihre Abstände umfassen durchschnittlich etwa 0,1 kb bis über 1 Mb, so dass es sich um eine etwas gröbere Einteilung des Genoms handelt. Anfangs war die Methode über Hy-

Wahrscheinlichkeit, dass die beiden Loki gekoppelt sind Rekombinationsmöglichkeit 0 Wahrscheinlichkeit, dass die beiden Loki nicht gekoppelt sind Rekombinationsmöglichkeit 0,5

119 7.10 · Kartierung und Klonierung von Genen

bridisierungsassays materialaufwändig und teuer. Sie wurde jedoch durch die RFLP-Typisierung über PCR (7 Kap. 12.2) wesentlich vereinfacht. Die Methode beschreibt die erste Generation von DNAMarkern und hängt für klinisch-genetische Untersuchungen von einer informativen Meiose ab. Bei Menschen ist durchschnittlich etwa eine von 210 Basen mutiert. Die meisten dieser Mutationen sind neutral und bleiben unbemerkt. Gelegentlich befindet sich jedoch eine solche Mutation an einer Schnittstelle für ein Restriktionsenzym, und das eingesetzte Restriktionsenzym kann nicht schneiden. Das resultierende DNA-Fragment ist folglich länger als eines ohne diese Mutation. Da jedoch beide Fragmente viele Basensequenzen gemeinsam haben, werden sie von der gleichen DNASonde erkannt. Jede Fragmentlänge definiert einen Haplotyp. RFLP-Haplotypen werden wie alle anderen Allele vererbt. Jede Person erhält einen vom Vater und einen von der Mutter. Ist nun eine Person heterozygot für einen RFLP, so zeigen die DNA-Fragmente, an welche die Sonde hybridisiert, bei homologen Chromosomen Längenunterschiede. Aber nicht jeder Heterozygote ist informativ. Um ein Gen zu markieren, muss der RFLP auf demselben Chromosom liegen wie das interessierende Gen, da er sonst in der Meiose von diesem Gen wegsegregiert. ! Bei einem dominanten Erbleiden, wie beispielsweise der Chorea Huntington, bei der die Vererbung eines einzigen Allels ausreicht, um die Symptome auszulösen, ist ein RFLP ein klarer Marker, wenn er sich bei allen erkrankten Verwandten nachweisen lässt, nicht aber bei den Gesunden.

7

In der Praxis bedeutet dies, dass Kopplungsanalysen mit RFLP nur innerhalb von Familienuntersuchungen durchgeführt werden können, in die neben dem Patienten auch seine Eltern und häufig noch andere Angehörige einbezogen sind. Bei X-chromosomal-rezessivem Erbgang sind insbesondere die männlichen Familienmitglieder (z. B. Vater und Großvater einer ratsuchenden Frau) informativ. Bei autosomal-dominanten Erkrankungen sollte ein möglichst großer Stammbaum mit gesicherten Merkmalsträgern und Nicht-Merkmalsträgern vorhanden sein, wobei die Merkmalsträger heterozygot für die RFLPs sein sollten. Bei autosomal-rezessiven Erkrankungen genügen neben dem Patienten die Eltern und möglicherweise Geschwister, wobei in der günstigsten Situation die Eltern heterozygot und der Erkrankte homozygot für die RFLP-Allele ist. Andere Konstellationen lassen nur in begrenztem Umfang Aussagen zu. Die Möglichkeit der Anwendung in der Pränataldiagnostik hängt in jedem Einzelfall immer vom Ergebnis einer individuellen Familienuntersuchung ab (. Übersicht 7.18). Insgesamt betrachtet ist diese Methode mit einem grundsätzlichen Nachteil behaftet. Sie ist nämlich zur Kartierung wenig informativ. RFLPs haben nur zwei Allele. Eine Restriktionsschnittstelle ist anwesend oder abwesend. Die maximale Heterozygotie ist 0,5. Die Kartierung einer erblichen Krankheit über RFLPs ist häufig frustrierend, da sich zu oft herausstellt, dass eine Schlüsselmeiose uninformativ ist. . Übersicht 7.18. Kopplungsanalysen bei fraglichen Anlageträgern von monogenen Erkrankungen mit Hilfe von Restriktionsfragmentlängen-Polymorphismen (RFLP)

Erbgang

Da sich dominante Erkrankungen manchmal erst spät manifestieren, klärt eine Anwesenheit des Markers bei fraglichen Anlageträgern oder bei Feten die genotypische Situation. Damit ist das Übertragungsbzw. Erkrankungsrisiko einschätzbar.

Diagnostische Ausgangssituation in der Familie

Autosomaldominant

Möglichst großer Stammbaum mit gesicherten und für die RFLP heterozygoten Merkmalsträgern

Autosomalrezessiv

! Bei autosomal-rezessiven Erkrankungen lässt sich in dem betroffenen Kind ein Marker von jedem Elternteil nachweisen. X-chromosomale Erbgänge werden durch einen RFLP auf dem X-Chromosom des Mannes und durch zwei RFLP bei der Frau markiert.

Patient, Eltern und möglicherweise Geschwister: Die günstigste Situation ist bei Heterozygotie der Eltern für die RFLP-Allele und Homozygotie der Patienten gegeben

X-chromosomal-rezessiv

Männliche Verwandte (wie Vater oder Großvater)

Indexpatienten sind zur Diagnostik fraglicher Anlageträger obligat

120

7

Kapitel 7 · Organisation und Funktion eukaryotischer Gene

Klonierungsverfahren

Genetische Kartierung über Mikrosatelliten-Marker

7.10.4

In 7 Kap. 7.12 werden die Mikrosatelliten als polymorphe Marker im menschlichen Genom behandelt. Sie erlauben eine Kopplungskarte des menschlichen Genoms hoher Dichte von ungefähr einem Marker pro Centi-Morgan (cM – die Einheit Morgan wurde ursprünglich bei den Riesenchromosomen der Fruchtfliege Drosophila melanogaster eingeführt; eine Rekombinationshäufigkeit von 1% entspricht etwa einem Abstand von 1 cM oder etwa 1.000 kb). Hiermit war ab 1994 ein Gerüst geschaffen zur Entwicklung einer detaillierten physikalischen Karte aller Chromosomen. Die weitere Verfeinerung führte zur bisher detailliertesten Mikrosatellitenkarte, welche 5.136 Mikrosatelliten-Marker umfasst in 146 Familien mit einer Gesamtzahl von 1.257 meiotischen Ereignissen.

Bis 1980 war wenig über die Lokalisation von menschlichen Krankheitsgenen bekannt. Dann ging die Entwicklung durch die Entdeckung polymorpher DNA-Marker und die Entwicklung der PCRMethoden für Kopplungsanalysen sehr rasch. Dabei kann man vier Hauptstrategien für die Klonierung und Kartierung ausmachen (. Abb. 7.32). Dies sind 4 funktionsspezifische Klonierung, 4 positionelle Klonierung, 4 positionsunabhängige Kandidatengenverfahren, 4 positionelle Kandidatengenverfahren.

Genetische Kartierung über Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNPs) Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNPs) ermöglichen nochmals eine Verfeinerung der genetischen Kartierung. Sie liefern derzeit die höchste Auflösung über polymorphe Marker. Mikrosatelliten-Marker sind hoch polymorph, aber sie haben Grenzen in der Feinauflösung genetischer Karten, da sie nur etwa alle 30 kb vorkommen und auch nicht besonders für automatisierte Typisierung geeignet sind. SNPs bestehen meist nur als 2 Allelen, sind also wenig polymorph und haben eine hohe Frequenz im Genom von durchschnittlich einem SNP pro Kilobasenpaar. Sie eignen sich auch gut zur automatisierten Typisierung. Damit sind sie ideale Marker für die Zuordnung chromosomaler Regionen zu Krankheiten verursachenden Genen. Ein internationales SNP-Konsortium hat in der jüngsten Vergangenheit eine menschliche SNPKarte mit einer Gesamtzahl von 1,42 Mio SNPs entwickelt, was einen SNP pro 2 kb bedeutet. ! Alle bisher beschriebenen genetischen Kartierungen beruhen auf einem Grundprinzip, nämlich Familiendaten. Die Grundlagen sind in der Regel Marker-Typisierung von Mitgliedern vieler Multigenerationsfamilien. Das Ergebnis sind immer Sätze von gekoppelten Markern (Kopplungsgruppen), die aus 24 Einheiten bestehen, welche den verschiedenen menschlichen Chromosomen entsprechen.

Funktionsspezifische Klonierung Bei der funktionsspezifischen Klonierung wird versucht, ein Gen aufgrund einer bekannten Funktionsinformation zu identifizieren. So kann man über das Genprodukt das Gen identifizieren, indem man genspezifische Oligonukleotide herstellt und diese für die Suche in cDNA-Banken (c = copy-DNA: DNA, die mit dem Enzym Reverse Transkriptase über eine mRNA-Matrize synthetisiert wurde) einsetzt. Eine andere Methode benutzt spezifische Antikörper, die gegen das Proteinprodukt erzeugt werden. Diese lassen sich dann ebenfalls nach verschiedenen Methoden zur Suche der zugehörigen cDNA einsetzen. So wurde z. B. das Gen für den Blutgerinnungsfaktor VIII durch funktionsspezifische Klonierung über Oligonukleotide kloniert.

Positionelle Klonierung Bei der positionellen Klonierung muss von dem gesuchten Gen die Zuordnung zu einer chromosomalen Teilregion bekannt sein (über Kopplungsanalyse, chromosomale Anomalien usw.), weitere Informationen sind nicht erforderlich. Man versucht dann über physikalische und genetische Karten die Position des Genlokus und der Kandidatengene in diesem Bereich genauer zu bestimmen. Da allerdings über das Human Genom Projekt immer mehr Daten vorhanden waren, wurde dieses Verfahren mehr und mehr durch das positionelle Kandidatengenverfahren abgelöst. Über positionelle Klonierung wurden Gene für wichtige genetische Erkrankungen isoliert, wie das Gen für Duchenne-Muskeldystrophie, Mukoviszidose (zystische Fibrose), Chorea Huntington, die

121 7.10 · Kartierung und Klonierung von Genen

7

. Abb. 7.32. Methoden zur Identifikation von Krankheiten, die einfach mendelnd vererbt werden

adulte Form der polyzystischen Niere, Darmkrebs und Brustkrebs.

Positionsunabhängiges Kandidatengenverfahren Das positionsunabhängige Kandidatengenverfahren geht von Vermutungen über Kandidatengene aus, ohne dass man eine chromosomale Zuordnung kennt. Man arbeitet hier mit möglichen Homologien zu Phänotypen bei Tieren oder auch beim Menschen, für die ein entsprechendes Gen bereits bekannt ist, oder man prüft, inwieweit das Gen aufgrund diagnostischer Befunde zu einer bereits bekannten Genfamilie gehören könnte. Allerdings war dieser Ansatz bisher selten erfolgreich.

Positionelles Kandidatengenverfahren Die in den letzten Jahren mit Abstand erfolgreichste Methode ist das positionelle Kandidatengenverfahren. Hierzu ist notwendig, dass die chromosomale Teilregion für einen Krankheitslokus bekannt ist.

Man kann dann über Datenbanken nach Kandidatengenen suchen. Da wir zunehmend mehr über die Zuordnung von menschlichen Genen zu bestimmten Chromosomenbereichen wissen, gewinnt diese Methode immer mehr an Treffsicherheit. So wurde mit dieser Methode das Gen für das β-Amyloid-Vorläufer-Protein, das bei der Alzheimer-Krankheit eine wesentliche Rolle spielt, genauso entdeckt wie Gene für Marfan-Syndrom, Charcot-Marie-ToothHoffmann-Krankheit, Typ 1 A und B des familiären Melanoms, erblicher Nicht-Polyposis-Dickdarmkrebs, maligne Hypothermie, multiple endokrine Neoplasie Typ 2A, Retinopathia pigmentosa und Waardenburg-Syndrom Typ 1 (. Abb. 7.33). Bei allen Erfolgen der molekularen Methoden sollte jedoch auch erwähnt werden, dass die meisten Krankheiten des Menschen, die durch Gene bedingt sind, eben nicht monogen vererbt, sondern durch Mutationen in mehreren Genen verursacht werden, also polygener Natur sind und multifaktorielle Ursachen (genetische und Umweltparameter) krank-

122

Kapitel 7 · Organisation und Funktion eukaryotischer Gene

. Abb. 7.33. Zunahme positioneller Kandidatengenverfahren bei der Identifizierung von Genen für menschliche Erkrankungen

7 heitsauslösend wirken. Hier gilt es in der Zukunft nach Anfälligkeitsgenen zu suchen, wobei sich hier der Nachweis als wesentlich schwieriger herausstellt als bei einfach mendelnden Erkrankungen.

7.11

Genfamilien

Die Existenz von Genfamilien lässt sich am besten am Hämoglobin demonstrieren. Vieles spricht heute dafür, dass aus einem einzigen ursprünglichen Gen bei den Vorfahren der heutigen Wirbeltiere einerseits ein Gen für Myoglobin, andererseits eines für ein einfaches Hämoglobin entstanden ist. Das Hämoglobin bestand aus einer einzigen Polypeptidkette und war durch ein einziges Gen determiniert. Aus diesem einzigen Gen, das vor ca. 600 Mio. Jahren existiert haben muss, haben sich höchstwahrscheinlich durch Duplikation die Gene für die α-, β-, γ- und δ-Ketten des menschlichen Hämoglobins gebildet. Die Übereinstimmung der vier Polypeptidketten ist nämlich zu groß, um durch Zufall erklärt werden zu können. Wie wir der . Abb. 7.34 entnehmen, stimmen α-, β-, γ- und δ-Kette in 50 Aminosäuren überein, γ-, β- und δ-Kette in 103 und β- und δ-Kette in 136. Nach Schätzungen haben sich die α- und γ-Kette vor etwa 600 Mio. Jahren getrennt, die βund δ-Kette vor 44 Mio. Jahren. Man kann weiter abschätzen, dass eine Aminosäurensubstitution in

der evolutionären Proteinentwicklung durchschnittlich alle 14,5 Mio. Jahre vorkommt. Die Entwicklung des Hämoglobinmoleküls lässt sich durch die Evolution der Tiere verfolgen. So haben relativ frühe Entwicklungsformen ein einfacheres Hämoglobin. Wir finden solche einfachen Hämoglobine z. B. beim Neunauge oder bei Schleimfischen. Bei Knochenfischen findet man HbF, das ja auch als fetales Hämoglobin bei den Plazentaliern einschließlich des Menschen vorhanden ist. HbA2 (αα/δδ), das zu 2% im Blut des Menschen vorhanden ist, besitzen nur höhere Primaten, nicht jedoch niedere Affen. Interessanterweise haben Schimpanse und Mensch eine identische Aminosäurenzusammensetzung der α- und β-Ketten. Beim Gorilla weicht die α-Kette in einer Aminosäure, die β-Kette in zweien von der menschlichen Aminosäurensequenz ab. Der tetramere Molekülaufbau unseres »modernen« Hämoglobins hat, gegenüber dem einfachen ursprünglichen Hämoglobin und gegenüber dem Myoglobin, die aus jeweils nur einer Kette bestanden bzw. bestehen, den Vorteil, dass es sich mit gleichzeitig 4 O2-Molekülen beladen kann, da es ja 4 Hämgruppen besitzt. Auch wird durch den Übergang vom fetalen HbF (αα/γγ) zu adultem HbA1 (αα/ββ) um die Zeit der Geburt ein weiterer Anpassungsvorteil an die Bedingungen der O2-Bindung erreicht. Die menschlichen Hämoglobingene liegen als zwei separate Cluster verwandter Multigenfami-

123 7.12 · Der allgemeine Aufbau des menschlichen Genoms

7

lien auf der DNA. Der α-Gencluster wurde auf den kurzen Arm von Chromosom 16 lokalisiert und umfasst einen Bereich von 25 kb. Die γ-δ-β-Familie liegt auf dem kurzen Arm von Chromosom 11 und umfasst eine Region von 60 kb. Bisher ist der genetische Mechanismus unbekannt, der die Genfunktion auf den zwei verschiedenen Chromosomen so reguliert, dass in gleicher Menge α- und Nicht-α-Polypeptidketten resultieren. Die Strukturgene des α-Komplexes – von 5' (stromaufwärts) zu 3’ (stromabwärts) – schließen das embryonale ζ-Gen, ein Pseudogen für Hbζ und zwei identische α-Gene ein. Die verschiedenen Gene des β-Clusters sind das embryonale ε-Gen, 2 fetale γ-Gene, ein Hbβ-Pseudogen, ein Hbδ- und ein Hbβ-Gen (. Abb. 7.35).

7.12

Der allgemeine Aufbau des menschlichen Genoms

. Abb. 7.34. Stammesgeschichtliche Entwicklung der Polypeptidketten des Hämoglobins

Am 1. Oktober 1990 war der Start des Human Genom Projektes, des wohl bisher ehrgeizigsten wissenschaftlichen Großprojektes der Menschheitsgeschichte, das uns heute einen sehr detaillierten Einblick in den allgemeinen Aufbau des menschlichen Genoms erlaubt. Bereits nach 10 Jahren am 16. Juni 2000 konnte Craig Venter, Gründer der U.S. Firma

. Abb. 7.35. Strukturgene des α-Komplexes auf Chromosom 16 und der β-Genfamilie auf Chromosom 11. Für das αund β-Globingen ist die Intron-Exon-Struktur und die Codon-

nummer gezeigt, bei der Introns die Exons unterbrechen. Ein bekanntes Pseudogen am 3’-Ende des Genclusters ist nicht eingezeichnet

124

7

Kapitel 7 · Organisation und Funktion eukaryotischer Gene

Celera Genomics, die Sequenzierung von über 90% der 3 Mrd. Bausteine des menschlichen Genoms bekannt geben. Der Fortschritt des Projekts übertraf damit alle bisherigen Erwartungen. Im Februar 2001 traten weltweit die Genomforscher und Wissenschaftspolitiker an die Öffentlichkeit und präsentierten in Nature und Science die Arbeitsversion der Genkarte des Menschen. Zugegebenermaßen hatte diese Sequenzierung noch größere Ungenauigkeiten und Lücken. In Abständen folgte die genauere, nahezu vollständige Sequenzierung einzelner Chromosomen mit Abschlussqualität. Die genaue Sequenzierung von 99,99% des gesamten menschlichen Genoms mit 3,2 Mrd. Basen wurde zum 50. Jahrestag der Entdeckung der Doppelhelixstruktur der DNA am 14. April 2003 bekannt gegeben. Zu diesem Zeitpunkt schätzte man, dass das Genom des Menschen ca. 30.000 bis 35.000 Gene umfasst. Am 21. Oktober 2004 wurde die Zahl der proteincodierenden Gene herunterkorrigiert, so dass unser gegenwärtiger Wissensstand der folgende ist: ! Das Kerngenom hat einen DNA-Gehalt von ca. 3.080 Mb, das mitochondriale Genom von 16,6 kb. Ca. 20.000–25.000 proteincodierende Gene und ca. 3.000 RNA-Gene koordinieren ihre Funktion mit 37 Mitochondriengenen zur Organisationsstruktur der humanen Zelle.

7.12.1

Das Kerngenom

Im Kerngenom sind knapp 5% der Sequenzen hoch konserviert, wie vor allem der Vergleich mit dem Mausgenom zeigt. Diese 5% gliedern sich in 1,5% codierende DNA und konservierte Sequenzen innerhalb nicht translatierter Bereiche. Der größte Teil (90–95%) der codierenden DNA wird in Proteine übersetzt, der Rest sind Gene für untranslatierte RNA. Dabei muss man sich zum gegenwärtigen Zeitpunkt noch über gewisse Unsicherheitsfaktoren im Klaren sein. Das Internationale Human-Genom-Sequenzierungskonsortium hat 2001 die Genzahl auf 30.000– 40.000 hochgerechnet, Craig Venter auf 26.000– 38.000 mit eher einer Tendenz nach unten. Das liegt daran, dass man zu diesem Zeitpunkt ein Drittel bis die Hälfte aller Gene klar identifiziert hatte, der Rest war eine Angabe von Computervorhersagen, die bei

translatierten Genen eher genau sind als bei RNAGenen. Dieser Wert wurde 2004 durch das Internationale Human-Genom-Sequenzierungskonsortium für proteincodierende Gene auf 20.000–25.000 korrigiert. Davon sind 19.599 Gene bekannt und 2.188 zusätzliche Gene vorhergesagt, von denen man annimmt, dass sich weniger als 2.000 bestätigen lassen. Der Rest könnten Fragmentationen und falsch eingeordnete Pseudogene sein. Selbst wenn man annimmt, dass Gene mit kurzen offenen Leserastern der Entdeckung bisher entgangen sind und diese mit einem oberen Wert von 10% annimmt, bleibt die Zahl unter 25.000 (dem oberen Wert der Abschätzung). Transkripte wurden bisher etwas über 34.000 beschrieben, was 1,54 Transkripten pro Lokus entspricht. Bisher enthält die Sequenzierung noch 341 Gaps, die meisten davon (308) im euchromatischen Bereich, 33 im heterochromatischen. Bei dieser Abschätzung der Genzahl muss natürlich beachtet werden, dass sie nur proteincodierende Gene und keine Gene für tRNA, rRNA, snRNA, snoRNA und Mikro-RNA beinhaltet. Man nimmt hier gegenwärtig weitere bis zu 3000 Gene an. Ca. 95% des nukleären Genoms sind nichtcodierende DNA. Hiervon sind wieder ca. 45% repetitive Sequenzelemente, die ursprünglich RNA-Transkripte einer Retrotransposition darstellen, also durch Reverse Transkriptase umgeschriebene RNA in natürliche cDNA, die ins Genom integriert wurde. Weitere ca. 44% sind tandemförmige Sequenzwiederholungen. Der Rest besteht aus Heterochromatin. Die codierenden Sequenzen beinhalten häufig Familien verwandter Sequenzen, die teilweise in Clustern auf einem oder mehreren Chromosomen vorliegen. Sie sind durch Genduplikationen in der Evolution entstanden. Unter ihnen ist ein signifikanter Teil Primaten-spezifisch. Der Mechanismus der Genduplikation ist auch verantwortlich für viele nicht-translatierte Defektsequenzen, die zu Genfragmenten und Pseudogenen geführt haben und im Genom verstreut liegen, genauso wie defekte Kopien von RNA. Man schätzt die Zahl der Pseudogene im Genom auf etwa 20.000. Der Anteil von konstitutivem Heterochromatin umfasst ca. 200 Mb, der Rest des Humangenoms ist Euchromatin (. Abb. 7.36).

125 7.12 · Der allgemeine Aufbau des menschlichen Genoms

7

. Abb. 7.36. Kerngenom

Die Verteilung des Chromatins und der Gene Die durchschnittliche Größe eines menschlichen Chromosoms beträgt ungefähr 140 Mb mit einer erheblichen Varianzbreite innerhalb der Chromosomen und einer unterschiedlichen Menge von konstitutivem Heterochromatin. Das Heterochromatin verteilt sich auf ungefähr 3 Mb-Segmente um jedes Zentromer plus eines großen Anteils auf verschiedenen Chromosomen. Hier sind vor allem die kurzen Arme der akrozentrischen Chromosomen 13, 14, 15, 21 und 22 zu nennen und der lange Arm des Y-Chromosoms. Weiterhin findet sich Heterochromatin im Bereich der Sekundärkonstriktionen der langen Arme der Chromosomen 1, 9 und 16. Im Euchromatin beträgt der durchschnittliche CG-Gehalt 41%. Auch hier gibt es chromosomale Variabilität zwischen 38% CG und 49%. Auch die innerchromosomalen Unterschiede sind erheblich. In den Giemsa-Banden der Chromosomen gibt es hierzu eine klare Korrelation derart, dass helle Banden eher CG-reich und dunkle eher CG-arm sind. Dies wiederum reflektiert die unterschiedliche Gen-Dichte, da CG-reiche Regionen ebenfalls relativ reich an Genen sind. Dabei variiert die Gendichte wesentlich zwischen verschiedenen Chromosomenregionen und zwischen verschiedenen Chromosomen.

Menschliche RNA-Gene RNA-Gene produzieren zum größten Teil Moleküle, die bei dem allgemeinen Prozess der Genexpression assistieren. Andere RNA-Familien sind an der RNAReifung, einschließlich Spaltung und basenspezifischer Modifikation von anderen RNA-Typen (mRNA, rRNA, tRNA) beteiligt. Wieder andere, die

erst kürzlich identifiziert wurden, haben offenbar regulatorische Funktionen. Die Zelle benötigt eine große Menge rRNA für die Ribosomen als Orte der Proteinbiosynthese. Folglich codiert die nukleäre DNA wahrscheinlich 700–800 rRNA-Gene, in tandemförmig wiederholten Clustern, sowie viele Pseudogene. Von den vier Typen von rRNA sind die 28 S, die 5,8 S und die 18 S-rRNA in einer einzigen Transkriptionseinheit codiert. Es gibt 5 Cluster mit 30–40 Tandemrepeats, welche in den kurzen Armen der Chromosomen 13, 14, 15, 21 und 22 angesiedelt sind. Die 200–300 5 SrRNA-Gene liegen ebenfalls in Tandemanordnung vor, wobei die größte Ansammlung nahe dem Telomerbereich auf Chromosom 1q41–42 lokalisiert ist. Es existieren ebenfalls viele verstreute Pseudogene. Für die tRNA wurden 497 Gene und 324 Pseudogene beschrieben. Die 497 Gene gehören entsprechend ihrer Anticodon-Spezifität zu 49 Familien. Sie liegen verstreut in Clustern auf allen Chromosomen mit Ausnahme von Chromosom 22 und Y. 280 der 497 Gene liegen auf den Chromosomen 6 (140) und 1, ein weiteres Cluster findet sich auf Chromosom 7. Die snRNA (small nuclear RNA) ist eine heterogene Gruppe von RNAs die u. a. am Funktionsmechanismus der Spliceosomen beteiligt ist. Es sind annähernd 100 beschrieben, die teilweise in Clustern vorliegen. Zwei Cluster auf Chromosom 17q21-q22 und Chromosom 1p36.1 sind näher analysiert. Da viele snRNAs uridinreich sind, werden sie mit U und einer Klassifikationsnummer abgekürzt, z. B. U1-U6. Eine andere große RNA-Familie sind die snoRNAs (small nucleolar RNAs) mit über 100 Genen. Sie sind überwiegend im Nukleolus vorzufinden

126

7

Kapitel 7 · Organisation und Funktion eukaryotischer Gene

und verantwortlich für Basenmodifikationen in rRNA beim Prozessieren. Sie bewerkstelligen aber auch Basenmodifikationen an anderen RNAs. Es sind zwei Superfamilien beschrieben, die C/D-BoxsnoRNAs und die H/ACA-snoRNAs. Erstere ist in die 2’-O-Ribosemethylierung und letztere in die Pseudouridylierung zu Pseudouridin, eine häufig modifizierte Base, involviert. Man findet snoRNAGene oft in Introns anderer Gene sowie meist als Einzelkopie und verstreut, obwohl auch einige große Cluster bekannt sind. Neben den bisher beschriebenen RNA-Typen gibt es noch drei weitere wichtige regulatorische RNAs. Im Gegensatz zu den vielen kleinen RNAs, die in den letzten drei Jahrzehnten mit einer Größe von 70–300 Nukleotiden entdeckt wurden, sind sie mit 20–30 Nukleotiden noch wesentlich kleiner. Sie wurden wegen ihrer Kleinheit erst in den letzten Jahren entdeckt und entgingen vorher biochemischen Analysen und klassischen genetischen Ansätzen. Die Celera-Rohsequenz in der Veröffentlichung von Venter und Mitarbeitern von 2001 enthielt noch nicht einmal eine Analyse menschlicher RNA-Gene, was verdeutlicht, dass man die enorme Bedeutung dieser Sequenzen zu lange unterschätzt hatte. Die ersten mikroRNAs (miRNAs) wurden in den 1990er Jahren in dem Wurm Caenorhabditis elegans entdeckt. Danach wurden siRNAs in Tieren, Pflanzen und Pilzen als Effektor-Moleküle beschrieben, die den Prozess der Gen-Stilllegung (gene silencing) oder RNA-Interferenz (RNAi) vermitteln. Für die Entdeckung von RNAi erhielten die beiden führenden Wissenschaftler Andrew Fire und Craig Mello bereits 2006 den Nobelpreis. Man unterscheidet zwischen siRNAs (kleine interferierende RNAs), miRNAs (mikroRNAs) und piRNAs (Piwi-assoziierte RNAs = RNAs, die mit einer Argonauten-Protein-Subfamilie assoziiert sind) . Abb. 7.37. siRNAs werden durch Spaltung von langen doppelsträngigen RNA-Molekülen (dsRNAs) gebildet, die sich durch Basenpaarung komplementärer RNAs formieren. Ein Enzym, das man als Dicer bezeichnet, spaltet dsRNAs in kürzere doppelsträngige siRNAs von ungefähr 20 Basenpaaren Länge. siRNA ist besonders wichtig zur Zähmung der Aktivität von Transposons und zur Bekämpfung von Virusinfektionen, kann aber auch Protein kodierende Gene re-

gulieren. Weiterhin kann sie bei künstlicher experimenteller Exprimierung Gene stilllegen. Dabei läuft der Prozess folgendermaßen ab: Ein siRNA-Strang assembliert mit Argonauten-Proteinen zu einem Effektor-Komplex, den man als RNA-induzierten silencing complex (RISC) bezeichnet. Dieser Komplex benutzt die siRNA als Führer, um mRNAs zu identifizieren, deren Sequenz perfekt komplementär zur siRNA ist. RISC schneidet dann in der Mitte des mRNA-siRNA-Duplex. Die so zerschnittene mRNA wird dann durch andere zelluläre Enzyme degradiert, womit eine Translation der mRNA in Protein verhindert wird. Unter anderen Bedingungen kann siRNA offenbar auch im Kern die Transkription beeinflussen und damit Transkription stilllegen. miRNAs, bestehend aus 20–25 Nukleotiden, werden von spezifischen Genen gebildet. Sie werden von langen einzelsträngigen RNA-Sequenzen prozessiert, die sich zu intramolekularen HaarnadelStrukturen (hairpins) falten, welche nichtperfekte Basenpaarungssegmente enthalten. Der Prozess läuft in zwei Schritten ab und wird im Kern durch das Enzym Drosha und im Zytoplasma durch das Enzym Dicer katalysiert. Ein Strang des resultierenden miRNA-Duplex inkorporiert in einen RISCähnlichen miRNA-Ribonukleoproteinkomplex (miRNP), wobei wieder Argonauten-Proteine die Hauptkomponente darstellen. Abhängig vom Grad der Komplementarität degradiert oder reprimiert dann dieser Komplex eine bestimmte mRNA und verhindert damit die Translation. In Abwandlung zur siRNA funktioniert diese miRNA-vermittelte Degradation durch die Initiation einer enzymatischen Entfernung des mRNA-poly(A)-Schwanzes. piRNAs sind 25–30 Nukleotide lang und werden von langen einzelsträngigen Vorläufermolekülen gebildet. Diese kleinen Moleküle assoziieren mit einer Subfamilie von Argonauten-Proteinen, die man als Piwi-Proteine bezeichnet. Zusammen mit diesen Piwi-Proteinen sind sie an der Entwicklung der Keimzellen beteiligt. Fasst man die Bedeutung von diesen drei kleinen RNAs zusammen, so tragen sie wesentlich zur Regulation der Translation bei. Selbst wenn die Transkription eines Gens längst gestoppt ist, können mRNA-Sequenzen, die bereits produziert sind, noch in Proteine übersetzt werden. Hier können kleine RNAs auf Ebene der Translationsblockade noch re-

127 7.12 · Der allgemeine Aufbau des menschlichen Genoms

7

. Abb. 7.37. Die Bildung und Funktion kleiner regulatorischer RNAs

gulierend eingreifen, möglicherweise sogar reversibel. Man kann sich so sogar vorstellen, dass sie die Genexpression von hunderten von Genen, die in gleichen oder in verwandten Synthesewegen fungieren, koordinieren und feinsteuern können. Außerdem können sie, wie bereits erwähnt, auch im Zellkern die Transkription über die sequenzspezifische Steuerung von Chromatin beeinflussen, indem sie es in Heterochromatin umwandeln und so die Transkriptions-Maschinerie abhalten. Offenbar legen kleine RNAs auch nicht ausschließlich die Genexpression still, sondern aktivieren sie auch, wobei dieser Prozess derzeit noch nicht gut verstanden ist. Der Einfluss auf Transposons ist bei Pflanzen und Invertebraten von Bedeutung, da diese sonst im Genom »herumspringen« und Gene zerstören würden. Auch die Verteidigungsrolle gegen eindringende Viren war wahrscheinlich für das Vorantreiben der Evolution bedeutend. Ob diese Prozesse beim Menschen noch eine Rolle spielen, auch nach Entwicklung des Immunsystems der Vertebraten, ist bisher nicht gut verstanden. Auf die Bedeutung kleiner regulatorischer RNAs bei der Entwicklung von Keimzellen wurde bereits eingegangen. Von großer

Relavanz ist auch, dass miRNA-Expressionsprofile sich oft bei Erkrankungen wie Krebs verändern. Man nimmt an, dass eine Dysregulation der miRNA-Expression zur Pathologie von Erkrankungen beiträgt. Von großer Bedeutung und einer der Schwerpunkte moderner Forschung ist der mögliche Nutzen kleiner RNAs als therapeutische Agenzien. Durch ihre Fähigkeit krankheitsrelevante Gene stillzulegen, die nicht durch konventionelle Behandlung beherrschbar sind, ist hier ein hoffnungsvoller Ansatz gegeben. Darüber hinaus sind miRNAs bekannt, die selbst die Entstehung von Krebs fördern. In der künftigen medizinischen Forschung könnten sie sich also selbst zu Kandidaten für eine therapeutische Stilllegung entwickeln. Andere regulatorische RNAs sind am Transport von Proteinen durch die Zellmembran beteiligt, sind involviert in die X-Inakitivierung, assoziiert im Imprinting oder AntisenseRNA und möglicherweise vieles mehr (. Übersicht 7.19).

128

Kapitel 7 · Organisation und Funktion eukaryotischer Gene

. Übersicht 7.19. Menschliche RNA codiert im Zellkern

RNA Klasse

RNA Typen

Funktion

rRNA

28 S, 5,8 S, 5 S, 18 S

Bestandteil der großen ribosomalen Untereinheit Bestandteil der kleinen ribosomalen Untereinheit

tRNA

49 verschiedene Typen

Bindet an die Codons der mRNA

snRNA

Annähernd 100, viele mit U bezeichnet und Klassifikations-Nr.

Hauptsächlich Komponenten der Spliceosomen

snoRNA

Über 100 verschiedene Typen

Methylierung der 2’-OH-Gruppe von rRNA rRNA-Modifikation bei der Bildung von Pseudouridin rRNA-Prozessierung

Weitere regulatorische RNAs siRN miRN piRNA

7

Ca. 200 Typen

XISTRNA TSIXRNA Antisense-RNA weitere RNAs

Kleine regulatorische Moleküle

Assoziiert in die Inaktivierung des X-Chromosoms Ca. 1.500 Typen

Regulation des Imprintings, z. B. Komponenten der Telomerase, Komponenten des Proteinexports, Transkriptionsregulatoren der RNA-Polymeras II, Aktivatoren von Steroid-Rezeptoren, spezifische Organkomponenten

. Abb. 7.38. Struktur der mitochondrialen DNA und ihrer Gene mit den Schnittstellen für die Restriktionsendonukleasen Pvu II und Sac I (D-Loop nicht eingezeichnet)

129 7.12 · Der allgemeine Aufbau des menschlichen Genoms

7.12.2

Mitochondriale Gene

Mitochondrien sind intrazelluläre Organellen mit eigenen genetischen Systemen. Menschliche mitochondriale DNA (mtDNA) ist doppelsträngig, zirkulär, 16.569 Basenpaare lang und besitzt zu 44% (G+C). Ein kleiner Bereich ist dreifachsträngig (DLoop) zur repetitiven Synthese eines kurzen Segments. Die insgesamt 37 eng angeordneten Gene haben keine Introns und nur 3 Promotoren. Sie verteilen sich auf einen schweren guaninreichen Strang mit 28 Genen und einen leichten Strang mit 9 Genen, der reich an Cytosin ist (. Abb. 7.38). Die Mutationsrate der mitochondrialen DNA ist etwa 5- bis 10mal so hoch wie die der nukleären DNA. In menschlichen Zellen befinden sich mehrere tausend Kopien dieses mitochondrialen DNA-Moleküls, was insgesamt bis zu 0,5% des DNA-Gehalts einer somatischen Zelle ausmacht. Bei der Zellteilung werden zwar die DNA-Ringe und somit die Mitochondrien verdoppelt, damit die Tochterzellen die gleiche Ausgangsmenge erhalten, es gibt jedoch

keinen Sortiermechanismus, der feststellt, welche Mitochondrien in welche Tochterzelle gelangen. Sie verteilen sich also rein zufällig. Man bezeichnet dieses Phänomen als Heteroplasmie.

Der mitochondriale Genetische Code Der mitochondriale Genetische Code unterscheidet sich leicht vom nukleären (. Übersicht 7.20, . Übersicht 7.21). 93% der mtDNA sind codierend. Die codierenden Sequenzen einiger Gene zeigen etwas Überlappung. In den meisten Fällen sind die codierenden Sequenzen benachbarter Gene aufeinanderfolgend oder getrennt durch ein oder zwei nichtcodierende Basen. Bei manchen Genen fehlt das Terminationscodon. UAA-Codons werden dann posttranskriptional eingefügt.

7.12.3

Codierende DNA

Menschliche Gene können sehr unterschiedlich groß sein, eine Beobachtung, die man bei allen komplexen

. Übersicht 7.20. Unterschiede in der Translation einzelner mRNA-Codons zwischen dem universellen Code und Mitochondrien

mRNA Codon

7

Aminosäuren Pro- und eukaryotische Zellen

Mitochondrien Hefe

Drosophila

AUA

Isoleucin

Methionin

Methionin

Methionin

AGA, AGG

Arginin

Arginin

Serin (AGA)

Stoppcodon

CUA

Leucin

Threonin

Leucin

Leucin

UGA

Stoppcodon

Tryptophan

Tryptophan

Tryptophan

Säuger

. Übersicht 7.21. Kern- und Mitochondriengenom des Menschen im Vergleich

Kerngenom

Mitochondriengenom

Größe

3.080 Mb

16,6 kb

DNA-Moleküle gesamt/Zelle

46

Mehrere tausend

Gen-Anzahl (proteincodierend)

Ca. 20.000 bis 25.000

37

Gendichte

1 Gen pro 100 kb

1 Gen pro 0,45 kb

Repetitive DNA

Über 50% des Genoms

Sehr wenig

Introns

In den meisten Genen

Nicht vorhanden

Rekombination

Ja

Nein

Vererbung

Mendelnd

Maternal

130

Kapitel 7 · Organisation und Funktion eukaryotischer Gene

7 . Abb. 7.39. Vergleich von Gengröße und Exon-Anteile (in %) bei ausgewählten menschlichen Genen

Organismen macht (. Abb. 7.39). Im Gegensatz dazu sind Mikroorganismengene– entsprechend der geringen Genomgröße – sehr kurz und die Länge des Proteins hängt direkt von der Länge des Gens ab, da sie keine Introns besitzen. Der Mittelwert der Gengröße eines menschlichen Gens liegt rechnerisch bei 27 kb mit einer enormen Varianzbreite. So sind manche menschliche Gene deutlich unter 10 kb groß, andere liegen zwischen 10 kb und 100 kb und wieder andere sind enorm groß. Das bisher größte bekannte menschliche Gen ist das Dystrophingen mit über 2,4 Mb. Entsprechend sind auch die Zeitunterschiede bei der Transkription. Beim Dystrophingen dauert sie 16 h. Beachtlich sind auch die Unterschiede beim Intron-Exon-Verhältnis (und damit bezüglich des codierenden Anteils eines Gens). Generell besteht eine inverse Korrelation zwischen Gengröße und codierendem Anteil. Die Größenunterschiede von Genen beruhen also vorwiegend auf der erheblichen Längenvariabilität der Introns. So sind die kleinsten menschlichen Introns im Bereich von zweistelligen Basenpaaren, die größten sind Hunderte von kb groß. Exons sind dagegen im Durchschnitt weniger als 200 bp groß, obwohl es auch hier Ausnahmen gibt (das größte bisher sequenzierte Exon hat 7,6 kb). Es besteht die strenge Tendenz, dass große Gene sehr große Introns besitzen. Allerdings scheint

. Übersicht 7.22. Das menschliche Genom im Überblick Größe des Genoms

Ca. 3.080 Mb

Größe des Mitochondriengenoms

16,6 kb

Hochkonservierter Anteil

Ca. 150 Mb (4,5%)

Codierend

Ca. 50 Mb (1,5%)

Regulatorische u. andere Anteile

Ca. 100 Mb (3%)

Zahl der proteincodierenden Gene

Ca. 20.000 bis 25.000

Zahl der Mitochondriengene

37

RNA-Gene

Ca. 3.000 (mit gewissen Unsicherheiten)

Pseudogene

Ca. 20.000

Gengröße

Durchschnittlich 27 kb mit enormer Varianz

Exonzahl

Variierend von 1 bis 363

Exongröße

Variierend von > Einleitung Die Chromosomen sind bedeutende Einheiten unseres Genoms. Gerade in der Diagnostik sind sie ein wichtiges Hilfsmittel, da Veränderungen ihrer Anzahl oder Abweichungen ihrer Struktur auf Krankheiten hinweisen können.

8.1

Historische Entwicklung der Chromosomenanalyse

Menschliche Chromosomen wurden zuerst im Jahr 1874 von Arnold und 1881 von Fleming beobachtet. Dann sollte es allerdings noch ca. 70 Jahre dauern, bis durch einen Präparationsfehler zufällig ein Zugang zu einer mikroskopisch klaren Darstellung des menschlichen Chromosomensatzes gefunden wurde. 1952 beschrieb Hsu den menschlichen Chromosomensatz mit 48 Chromosomen. Trotz der falschen Chromosomenzahl war diese Publikation von großer Bedeutung. Hsu hatte sozusagen durch einen »Unfall« entdeckt, dass eine hypotone Lösung die behandelten Zellen anschwellen und platzen ließ. Dadurch konnte man die Chromosomen besser voneinander trennen, somit besser zählen und morphologisch untersuchen. Ein Jahr später postulierte wiederum Hsu die Verwendung von Zellkulturen als die effizienteste Methode zur Chromosomenpräparation, denn zuvor hatte man mit den üblichen histologischen Schnitttechniken große Probleme, die Mitosen nicht unanalysierbar zu zerstören. 1956 schließlich korrigierten Tjio und Levan die Chromosomenzahl auf den richtigen Wert von 46. Dann dauerte es nur noch 3 Jahre, bis verschiedene Gruppen die Überzahl oder das Fehlen eines Chromosoms als Ursache für einige genetische Syndrome beschrieben. Lejeune entdeckte die Trisomie des Chromosoms 21 als Ursache für das DownSyndrom. Ford und Mitarbeiter beschrieben das Fehlen eines X-Chromosoms als Ursache für das Turner-Syndrom, und Jacobs und Mitarbeiter entdeckten das überzählige X-Chromosom als Ursache

für das Klinefelter-Syndrom. 1960 folgten die Beschreibungen der Trisomien 13 und 18 durch Pätau und Edwards. Das erste Deletionssyndrom, das Cri-du-chat-Syndrom, wurde 1963 wiederum von Lejeune entdeckt. Schroeder und Mitarbeiter fanden 1964, German und Mitarbeiter im Jahr 1965 eine genetisch determinierte Chromosomeninstabilität bei der Fanconi-Anämie und beim BloomSyndrom. Zwischenzeitlich konnte die Präparationstechnik weiter verbessert werden. Die Entdeckung der hypotonen Behandlung 1952 wurde bereits erwähnt. Ein weiterer wesentlicher Schritt war die erstmalige Benutzung von Colchizin zur Arretierung der Metaphasen durch Ford und Hamerton 1956. 1960 erkannte Nowell die Wirkung von Phytohämagglutinin als Stimulans für die Zellteilung in Lymphozytenkulturen, und 1965 wurde von Hungerford und Mitarbeitern erstmals KCI als hypotone Lösung eingesetzt. Bis Ende der 1960er Jahre konnte man Chromosomen zur mikroskopischen Betrachtung nur konventionell und durchgängig mit Farbstoffen wie Orcein, Feulgen und Giemsa anfärben. Mit diesen Techniken war die Erkennung homologer Paare sowie eine eindeutige Chromosomensortierung nicht möglich. 1968-70 wurden schließlich die Chromosomenbänderungstechniken entwickelt. Casperson und Mitarbeiter entdeckten, dass Fluoreszenz nach Anfärben der Chromosomen mit Quinacrin ein distinktes Bandenmuster erzeugt, und systematisierten damit eine gelegentliche Beobachtung von spontanen horizontalen Dichteunterschieden, die bis dahin wenig Beachtung gefunden hatte. Kurz danach wurden die Giemsa-Bänderung und andere Bänderungsmethoden entwickelt. Durch die Kombination von molekularbiologischen Methoden mit neuen Anfärbemöglichkeiten gelang es, das Auflösungsvermögen noch einmal zu steigern. Dadurch entwickelte sich die molekulare Zytogenetik. Durch den Einsatz von DNA-Sonden und an sie gebundene fluoreszenzmarkierte Reportermoleküle (7 Kap. 8.2) gelingt es mit den Methoden der Chromosomen-in-situ-Suppressionshybri-

140

8

Kapitel 8 · Chromosomen des Menschen

disierung und der Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung kleinere Chromosomenbereiche, ja selbst einzelne Gene zu markieren und mikroskopisch analysierbar zu machen. Die kurze Beschreibung der jüngeren historischen Entwicklung des methodischen Inventars der medizinischen Zytogenetik an dieser Stelle soll nicht nur als »historische Einführung« einen Einstieg in das Kapitel ermöglichen. Sie soll vielmehr zeigen, wie innerhalb von nur ca. 50 Jahren, fast vom Stande null aus, durch die Kombination von methodischen Ansätzen aus primär völlig verschiedenen wissenschaftlichen Richtungen ein wissenschaftliches Werkzeug für die prä- und postnatale Chromosomenanalyse und für die Tumorzytogenetik von faszinierender Dimension geschaffen wurde. Parallele Entwicklungen, ausgehend von der Verbesserung der optischen Auflösung über die Entwicklung von DNA-Sonden und neuen Fluoreszenzmarkierungen bis hin zur computergestützten Separation von Fluoreszenzspektren, haben hier ein weites Feld eröffnet. Über die angesprochenen Anwendungsgebiete hinaus sind die Konsequenzen weitreichend. Stellvertretend seien hier nur die physikalische Genkartierung (7 Kap. 7.1.10) und die Evolutionsforschung genannt (7 Kap. 8.5).

8.2.1 Präparation Das Blut gesunder, nicht an Leukämie erkrankter Personen enthält keine teilungsfähigen Zellen. Die Lymphozyten können jedoch artifiziell zur Teilung angeregt werden und vermehren sich dann in der Regel in 72 h-Kulturen zu einer für die Präparation genügenden Zelldichte. Die wesentlichen Präparationsschritte sind im Einzelnen: 4 Nach 70 h Zucht in geeignetem Nährmedium Behandlung der mitotischen Zellen mit dem Spindelgift Colchizin (für 2 h). Colchizin arretiert die Zellen in der Prämetaphase oder Metaphase, da die Formierung der Spindel, die zur Anaphasebewegung notwendig ist, verhindert wird. 4 Hypotone Behandlung der Zellen für kurze Zeit, z. B. mit 0,075 molarer KCl. 4 Fixierung des Materials mit einem Gemisch aus Essigsäure und Methanol (in der Regel im Verhältnis 1:3). 4 Auftropfen der Zellen auf Objektträger und deren Trocknung. 4 Färbung mit geeigneten Färbemethoden.

8.2.2 Darstellungsmethoden Färbung

8.2

Darstellung

Zur Chromosomenanalyse beim Menschen ist grundsätzlich jedes Untersuchungsmaterial geeignet, das Mitosen enthält oder bei dem man die Mitose anregen kann. Von Bedeutung ist auch die Zugänglichkeit. ! In der Praxis erfolgen die meisten Chromosomenpräparationen aus 4 Kurzzeit-Lymphozytenkulturen, 4 Langzeit-Fibroblastenkulturen, 4 Amnionzellkulturen (für Pränataldiagnostik), 4 Mitosen nach Chorionzottenbiopsie (für Pränataldiagnostik).

Grundsätzlich ist auch die direkte Präparation aus Knochenmark möglich. Sie spielt jedoch in der Praxis kaum oder nur in begründeten Ausnahmefällen eine Rolle.

Die konventionelle Färbung der Chromosomen erfolgt in der Regel mit Giemsa-Färbelösung oder anderen Kernfarbstoffen.

Bänderungsmethoden Mit den verschiedenen Bänderungsmethoden lassen sich etwa 350 Banden unterscheiden. Die älteste Bänderungsmethode ist die mit Quinacrin (Q-Bänderung), welche distinkte fluoreszierende Banden erzeugt. Die Banden sind bei allen Bänderungsmethoden für jedes Chromosom spezifisch und reproduzierbar. Sie können nach Anzahl, Größe, Verteilung und Intensität unterschieden werden. Die Q-Bänderung hat allerdings für die Routinediagnostik heute keine Bedeutung mehr. Die in der Praxis am häufigsten angewandte Bänderungsmethode ist die Giemsa-Bänderung oder G-Bänderung (. Abb. 8.1). Nach Inkubation der Chromosomen in Trypsinlösung (Trypsinierung) erfolgt eine Inkubation mit Giemsa-Lösung, wobei der

141 8.2 · Darstellung

. Abb. 8.1. Mikroskopisches Bild einer Metaphase nach Giemsa-Bänderung (Mit freundlicher Genehmigung von H.-D. Hager, Institut für Humangenetik der Universität Heidelberg)

Farbstoff nach Denaturierung des Chromatins in die DNA eingebaut wird. Die Bandenstruktur basiert auf Unterschieden in der Längenstruktur der Chromatiden. Jede Bande unterscheidet sich von der nächsten durch ihre Basenzusammensetzung, die Chromatinformation, die Dichte der Gene, ihre repetitiven Sequenzen und den Zeitpunkt ihrer Replikation. Die G-Banden sind spät replizierend und enthalten stark kondensiertes Chromatin. Die hellen Banden (auch R-Banden, reverse G-Bandenmuster genannt) werden dagegen früh in der S-Phase repliziert und enthalten weniger stark kondensiertes Chromatin. Die DNA in den G-Banden ist transkriptionell relativ inaktiv, Gene sind dagegen besonders häufig in den hellen Banden zu finden. Man hat bis vor kurzem vermutet, dass die GBanden besonders AT-reich, die R-Banden dagegen reich an GC wären. Inzwischen hat sich jedoch herausgestellt, dass beim Menschen in den G-Banden nur geringfügig mehr AT-reiche Sequenzen vorhanden sind als in den hellen Banden. Das weiterentwickelte Modell des Aufbaus von Metaphasechromosomen brachte hier die richtige Lösung. Danach werden die besonders AT-reichen Gerüstkopplungsbereiche (SAR) entlang der Längsachse der Chromatiden jeweils unterschiedlich gefaltet. Bereiche mit hoher Dichte an SAR findet man in den G-Banden, mehr entfaltete SAR in den hellen Banden. Dabei

8

wird angenommen, dass der Giemsa-Farbstoff selektiv die Basis der DNA-Schlaufen anfärbt, während man das R-Bandenmuster (z. B. durch die nachfolgende Färbemethode) dann sieht, wenn man gezielt die Schlaufenkörper anfärbt. Die Q- und die G-Banden sind identisch. Nach der Vorbehandlung der Chromosomen mit heißem Phosphatpuffer und nachfolgender Färbung mit Giemsa kann man R-Banden erzeugen. Die RBänderung bringt helle Heterochromatin- und dunkle Euchromatinbanden hervor. Sie entspricht also quasi dem fotografischen Negativ der G-Bänderung. Das konstitutive Heterochromatin in der Region um das Zentromer und am distalen Ende des langen Armes (q) des Y-Chromosoms kann mit der C-Bänderung dargestellt werden. Die T-Bänderung schließlich markiert die Telomerregionen der Chromosomen. Eine Variante zur Darstellung von Metaphasen mit höherer Auflösung ist die Darstellung von mittleren und späten Prophasen und von Prometaphasen (high resolution banding). Sie gelingt nach Synchronisation der Zellzyklen. Da die Chromosomen zu diesem Zeitpunkt noch nicht ganz so stark kondensiert sind, können einzelne Chromosomenabschnitte, die sich in der Metaphase als eine Bande darstellen, in mehrere Banden aufgelöst werden. Bei einer qualitativ einwandfreien Präparation lassen sich ca. 500–850 Banden (im haploiden Satz) erkennen (. Abb. 8.2).

In-situ-Hybridisierung Die Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) brachte eine entscheidende Erweiterung dieser Darstellungsmethoden, wobei die vorangestellten Chromosomendarstellungsmöglichkeiten für die Routinezytogenetik damit nicht etwa an Bedeutung verloren haben. Wie bereits ausgeführt, verwendet man DNA-Sonden, die durch modifizierte Nukleotide mit Reportermolekülen (wie Biotin) charakterisiert sind und an die fluoreszenzmarkierte Affinitätsmoleküle gebunden sind. Dabei setzt man verschiedene Fluorophoren ein (. Abb. 8.3). Die verwendeten DNA-Sonden stammen aus verschieden angelegten DNA-Bibliotheken: 4 Phagen- und Plasmid-DNA-Bibliotheken, in die sortierte menschliche Chromosomen einkloniert sind;

142

Kapitel 8 · Chromosomen des Menschen

8 . Abb. 8.2. Mikroskopisches Bild einer Prometaphase nach hochauflösender Giemsa-Bänderung. (Mit freundlicher Ge-

nehmigung von H.-D. Hager, Institut für Humangenetik der Universität Heidelberg)

. Abb. 8.3. Beispiel eines markierten Nukleotids, bei dem die Reportergruppe über ein Zwischenstück an ein Nukleotid gebunden ist

4 Plasmid-DNA-Bibliotheken mit chromosomenspezifischen Teilbereichen; 4 Cosmide (das sind Plasmide mit Verpackungssequenzen von Lambda, einem E. coli-Virus) 4 YACs (Yeast artificial chromosomes: künstliche Hefeminichromosomen mit definierten DNAAbschnitten).

Allerdings existiert da noch das Problem der verstreuten repetitiven Sequenzen, die ja über alle menschlichen Chromosomen verteilt sind. Eine direkte Hybridisierung der Sonden würde zu keinen verwertbaren Ergebnissen führen, da diese eben auch repetitive Sequenzen enthalten. Eine Markierung aller Chromosomen wäre die Folge. Daher ist

143 8.2 · Darstellung

die Anwendung der In-situ-Suppressionshybridisierung sinnvoll. Bei dieser Kompetitionshybridisierung versetzt man vor der eigentlichen Sondenhybridisierung die Sonde mit einem großen Überschuss unmarkierter chromosomaler Gesamt-DNA, diese wird dann denaturiert. Dadurch erreicht man eine Absättigung der repetitiven Sequenzen der Sonde, die somit das Signal der spezifischen Sequenz nicht mehr überlagern können. Die so vorbereitete Sonde kann nun direkt mit Metaphasechromosomen auf dem Objektträger hybridisiert werden.

. Abb. 8.4a,b. a Männliche Metaphase mit einer Trisomie des Chromosoms 8. b Karyogramm nach einer Hybridisierung mit 24 chromosomenspezifischen DNA-Sonden als Falschfarbenbild. (Mit freundlicher Genehmigung von M.R. Speicher, Institut für Anthropologie und Humangenetik der Universität München)

8

Beim chromosome painting besteht die DNA der Sonden aus vielen verschiedenen Fragmenten, die von einem einzigen Chromosomentyp abstammen. Damit werden über das ganze Chromosom verteilte Genloki markiert. Verwendet man zusätzlich noch verschiedenfarbige Fluoreszenzmarker, so erhält man eine Palette von Farbabstufungen für das ganze Chromosom. In Erweiterung dieser Methode ist es vor wenigen Jahren gelungen, eine MulticolorSpektral-Karyotypisierung aller menschlichen Chromosomen vorzustellen, mit der man alle menschlichen Chromosomen simultan in verschiedenen Farben darstellen kann (. Abb. 8.4).

144

Kapitel 8 · Chromosomen des Menschen

8

. Abb. 8.5a–f. Vergleichende genomische Hybridisierung (comparative genomic hybridization, CGH) mit Tumor-DNA aus autoptischem Material einer Patientin mit kleinzelligem Lungenkarzinom. Die Tumor-DNA (Detektion mit FITC, grüne Fluoreszenz) wurde im Verhältnis 1:1 mit Referenz-DNA (Detektion mit TRITC; rote Fluoreszenz) eines gesunden, männlichen Probanden gemischt und auf Metaphasespreitungen mit normalem, weiblichem Chromosomenkomplement (46, XX) hybridisiert. a Die Metaphasespreitung zeigt eine relativ homogene Färbung mit TRITC (Hybridisierung der Referenz-DNA). b Die FITC-Färbung dieser Metaphasespreitung (Hybridisierung der Tumor-DNA) zeigt eine im Vergleich zur Referenz-DNA stärkere

oder schwächere Färbung einzelner Chromosomen und Chromosomenabschnitte. c Überlagerung des FITC- und TRITC-Bildes: Chromosomenabschnitte mit signifikant erhöhten FITC/TRITC-Quotienten (Hinweis auf eine Überrepräsentation des Chromosomenabschnitts im Tumor) sind in dieser Falschfarbendarstellung grün, Chromosomenabschnitte mit signifikant erniedrigten FITC/TRITC-Quotienten (Hinweis auf eine Unterrepräsentation des Chromosomenabschnittes im Tumor) sind rot gekennzeichnet. Blau gefärbte Abschnitte repräsentieren unauffällige FITC/TRITC-Quotienten. Die Zahlen geben die Chromosomennummern an. d Fluoreszenzbänderung mit DAPI. Zur verbesserten Sichtbarmachung des Ban-

145 8.3 · Beschreibung

Stellenwert der FISH. Die FISH hat damit einen hohen Stellenwert in der Ergänzung der konventionellen Chromosomendarstellungstechniken erreicht. Sie wird besonders dort unentbehrlich, wo es um komplizierte Strukturumbauten menschlicher Chromosomen geht, sowohl bei chromosomal bedingten menschlichen Syndromen als auch in der Tumorzytogenetik (. Abb. 8.5). Eine weitere Anwendung der FISH ist die Interphasezytogenetik. Da die fluoreszenzmarkierten Chromosomen auch im Interphasekern ein entsprechendes Signal geben, ist dieses natürlich auch im Interphasekern sichtbar. Markiert man mit einer chromosomenspezifischen Sonde ein bestimmtes Chromosom, so wird das Chromosomenpaar im Interphasekern durch 2 Spots sichtbar. Bei einer Trisomie würde man folglich 3 Spots vorfinden. Das Gleiche gilt natürlich auch für die Trisomie von Chromosomenabschnitten. Wesentliche Bedeutung hat die FISH-Technik auch in der vergleichenden Zytogenetik. So kann man in der Evolutionsforschung beispielsweise den Weg von konservierten Genen durch die Evolution verfolgen. Gleiches gilt für Chromosomenstrukturumbauten z. B. in der Säugetierevolution.

denmusters wurde eine inverse Darstellung gewählt. Die Aufnahmen (a), (b) und (d) wurden mit einer CCD-Kamera mit FITC-, TRITC- und DAPI-spezifischen Filterkombinationen aufgenommen. e Paarweise Anordnung der in (c) dargestellten Chromosomen. Man beachte, dass homologe Chromosomen ein weitgehend identisches Falschfarbenbild aufweisen. Beispielsweise sind die kurzen Arme auf beiden Chromosomen 3 rot (Verlust von 3p), die proximalen Abschnitte des langen Arms blau (Hinweis auf eine ausgeglichene Kopienzahl), die distalen Abschnitte grün (Erhöhung der Kopienzahl). Bei Chromosom 5 weist die Falschfarbendarstellung auf eine erhöhte Kopienzahl des kurzen Arms und eine verminderte Kopienzahl des langen Arms hin usw. Ungleichmäßige Farbverteilungen auf beiden Chromatiden eines Chromosoms oder beiden homologen Chromosomen sind Hinweise auf Artefakte. Für statistisch gesicherte Aussagen muss eine Serie von Referenzmetaphasespreitungen ausgewertet werden. f Mittelwerte der FITC/TRITC-Fluoreszenzquotientenprofile wurden für jeweils

8

8.2.3 Auswertung Nach Färben der Chromosomenpräparate mit einer oder (auf verschiedenen Objektträgern) mehreren der vorgestellten Färbemethoden können diese unter dem Mikroskop bei 1.000-facher Vergrößerung analysiert und fotografiert werden. Anhand der fotografischen Abzüge ist dann die Sortierung der Chromosomen möglich. Dies geschah konventionell von Hand durch Ausschneiden und Aufkleben der Chromosomen zu einem geordneten Bild. Heute werden die Chromosomen über Computerprogramme in der nachfolgend beschriebenen Weise zur Auswertung geordnet und das Dokumentationsbild wird ausgedruckt.

8.3

Beschreibung

Nach Beschreibung des technischen Ablaufs der Chromosomenpräparation und der Auswertung soll nun auf die Einteilung der Chromosomen (. Übersicht 8.1) in einem geordneten Chromosomenbild einer Metaphase, das man als Karyogramm bezeichnet, eingegangen werden (. Abb. 8.6 und 8.7). Nach der Denver-Konvention 1960, der Londoner Konferenz 1963, der Chicagoer Konferenz 1966 und der Pariser Konferenz von 1971 über die Standardisierung und Nomenklatur der Chromosomen werden diese nach Form, Größe, Lage des Zentromers und Bandenmuster einander zugeordnet.

10 Referenzchromosomen ermittelt. Die drei Linien neben den schematisch dargestellten Chromosomen (ISCN 1985) stellen von links nach rechts einen unteren Schwellenwert, normale Fluoreszenzquotienten und einen oberen Schwellenwert dar. Eine Unterschreitung des unteren Schwellenwerts oder eine Überschreitung des oberen Schwellenwerts weist darauf hin, dass ein Verlust oder ein Gewinn des entsprechenden Chromosoms oder Chromosomenabschnitts in mindestens 50% der Tumorzellen eingetreten ist. Die schraffierten Areale kennzeichnen heterochromatische Abschnitte, die von der Bewertung ausgeschlossen wurden. Die Profile für die Chromosomen 3, 4, 5, 8, 9, 10, 13, 16, 17, 19 und 21 weisen auf pathologische Veränderungen hin, während die Profile für die übrigen Chromosomen unauffällig sind. Das nach rechts verschobene Profil für das X-Chromosom ist Ausdruck der höheren X-Kopienzahl in der weiblichen Tumor-DNA im Vergleich zur männlichen Referenz-DNA. (Mit freundlicher Genehmigung von T. Reed, Institut für Humangenetik, Heidelberg)

anfärbt, die nach der Giemsa-Bandenmethode ungefärbt bleiben (R-Banden, R=reverse), 5 Zentromerfärbung

8

. Abb. 8.6. Menschlicher Chromosomensatz (Karyogramm) im Vergleich verschiedener Färbemethoden. 1 Konventionelle Giemsa-Färbung, 2 Schema der Banden, 3 Färbung nach der Giemsa-Bandenmethode, 4 methodische Variante, die Stellen im Chromosom

146 Kapitel 8 · Chromosomen des Menschen

147 8.3 · Beschreibung

8

. Übersicht 8.1. Chromosomen des Menschen Anzahl

2n=46 44 Autosomen und 2 Gonosomen

Geschlechtsunterschied

XX bei der Frau XY beim Mann

Einteilung

Nach Länge und Lage des Zentromers (akrozentrisch, submetazentrisch, metazentrisch): 7 Gruppen von A-G X-Chromosom metazentrisch, geordnet an C-Gruppe Y-Chromosom entspricht der G-Gruppe

Färbemethoden

G-, Q-, R- und C-Bänderung, FISH-Methode, konventionelle Giemsa-Färbung

Identifikation spezifischer Chromosomen und homologer Paare

Chromosomenspezifische Bandenmuster, Länge, Lage des Zentromers

Identifikation aberranter Chromosomen

Veränderungen im Bandenmuster, über FISH Darstellung exakter Chromosomenumbauten, Veränderungen der Lage des Zentromers oder der Länge

. Abb. 8.7. Menschlicher Chromosomensatz im Vergleich zweier Fluoreszenzbänderungen. Rechts: Sog. Q-Banden (Fluoreszenzfarbstoff Quinacrin), welche der normalen Giemsa-

8.3.1 Einteilung in Gruppen ! Die menschlichen Körperzellen enthalten einen diploiden Satz von 2n=46 Chromosomen (haploider Satz n=23). Die Chromosomen weiblicher Personen lassen sich nach Größe und Form zu 23 Paaren anordnen. Beim männlichen Geschlecht finden sich 22 von diesen 23 Paaren, daneben aber 6

Bänderung entsprechen, links: R-Banden, welche denen der . Abb. 8.6 (4) entsprechen (Nach Vogel u. Motulsky 1996)

zwei unpaare Chromosomen, von denen das größere, das X-Chromosom, auch bei der Frau, hier aber doppelt vorhanden ist, während das kleinere, das Y-Chromosom, nur beim Mann vorkommt. Die 22 Paare, die beiden Geschlechtern gemeinsam sind, heißen Autosomen. Ihnen gegenüber stehen die beiden Geschlechtschromosomen, auch Gonosomen genannt (XX bei der Frau, XY beim Mann).

148

Kapitel 8 · Chromosomen des Menschen

8

. Abb. 8.8. Menschliche Chromosomen mit 850 Banden. Die relative Länge von Chromosomen und Banden basiert auf exakten Messungen

149 8.4 · Strukturelle Varianten

Je nach der endständigen oder mehr oder weniger mittelständigen Lage des Zentromers spricht man von akrozentrischen, submetazentrischen und metazentrischen Chromsomen. Dabei wird der kurze Arm als p-Arm und der lange Arm als q-Arm bezeichnet. Nach diesen Kriterien ist eine Unterteilung in 7 Chromosomengruppen möglich, die man mit A, B, C, D, E, F und G bezeichnet. Dies bezeichnet man als Erstellung eines Karyogramms. Die Gruppe A enthält 3 Chromosomenpaare, B 2 Paare, C 7 Paare, D und E je 3 Paare, F und G enthalten je 2 Paare. Die beiden X-Chromosomen der Frau sind submetazentrisch. Sie sind genauso groß wie die Chromosomen der C-Gruppe und mit herkömmlichen Analysemethoden von diesen nicht zu unterscheiden. Das Y-Chromosom des Mannes sieht ähnlich aus wie die Chromosomen der G-Gruppe. Für die Ausbildung des Geschlechts sind beim Menschen die Gonosomen verantwortlich. Eine Oozyte, die immer nur ein X-Chromosom enthält, kann mit einem Spermium verschmelzen, das entweder ein X- oder ein Y-Chromosom enthält. Treffen 2 X-Chromosomen zusammen (Gonosomen XX), so entwickelt sich aus der Zygote ein Mädchen; treffen X und Y zusammen, so entwickelt sich ein Junge.

8.3.2 Feineinteilung nach Regionen Die Chromosomenbänderung erlaubt eine Feineinteilung jedes Chromosoms. Danach werden der pund der q-Arm in Regionen unterteilt. Die . Abb. 8.8 zeigt dies entsprechend der Pariser Nomenklaturkonferenz. Die Regionen werden mit arabischen Ziffern bezeichnet. Das Chromosom 1 enthält z. B. im p-Arm 3 Regionen und im q-Arm 4 Regionen. Innerhalb dieser Regionen werden die einzelnen hellen und dunklen Banden wiederum mit arabischen Ziffern nummeriert. Bei der hochauflösenden Prophasebänderung wird eine entsprechend verfeinerte Einteilung getroffen.

8.4

8

Strukturelle Varianten

8.4.1 Heteromorphismus Betrachtet man Chromosomen auf der Ebene einer Population, so sieht man, dass einzelne Chromosomen bezüglich ihrer Struktur nicht immer identisch sind. Diese Variabilität heißt chromosomaler Polymorphismus oder besser chromosomaler Heteromorphismus. Allerdings sind chromosomale Heteromorphismen nicht gleichmäßig über ganze Chromosomen verteilt, sondern sie betreffen einzelne distinkte Regionen bestimmter Chromosomen. Überwiegend sind heterochromatische Regionen betroffen – also Regionen mit genetisch inaktiver DNA – oder Regionen mit vielfachen Kopien eines Gens, wo die Gendosis weniger relevant ist. Folglich finden wir Heteromorphismus hauptsächlich in den Satellitenregionen akrozentrischer Chromosomen (Chromosomen 13–15, 21 und 22), aber auch in den heterochromatischen Bereichen um das Zentromer (bei allen Chromosomen; . Abb. 8.9). Darüber hinaus ist das Heterochromatin der distalen Bande des q-Arms des Y-Chromosoms betroffen (. Abb. 8.10) und die Sekundärkonstriktionen der Chromosomen 1 und 9. Für den Zytogenetiker ist wichtig, Variabilitäten im Bereich des Normalen von pathologischer Chromosomenmorphologie unterscheiden zu können. In Zweifelsfällen kann die Anwendung spezieller Färbemethoden (z. B. C-Bänderung zur Identifikation von heterochromatischen Bereichen oder die QBänderung) Entscheidungshilfe bieten, wobei das Diagnosespektrum über die FISH-Technik in speziellen Fällen erheblich erweitert wurde. Auch die NOR-Region (Nukleolus-Organisator-Region) kann mit einer Silbernitratbänderung spezifisch angefärbt werden. Ein Chromosom, das man von seinem homologen Partner unterscheiden kann, wird als Markerchromosom bezeichnet. Markerchromosomen sind dadurch gekennzeichnet, dass sie in allen Zellen (oder zumindest in einem signifikanten Anteil) eines Individuums vorhanden sind. Anhand eines Heteromorphismus kann man auch die Herkunft eines Chromosoms durch die Generationen verfolgen. Solche Heteromorphismen sind durchaus keine Seltenheit. Praktisch jede Person besitzt zumin-

150

Kapitel 8 · Chromosomen des Menschen

8

. Abb. 8.9a–d. Heteromorphismus akrozentrischer Markerchromosomen. Varianten der akrozentrischen Chromosomen. a Vergrößerung des heterochromatischen Bereichs im kurzen Arm von Chromosom 15. b Vergrößerung der Satelliten in einem Chromosom 14. c Doppelsatelliten in einem Chromo-

som 14 (nur erkennbar an der doppelten NOR-Struktur). d Vergrößerung der nukleolusorganisierenden Region (NOR). Links: normale Chromosomenstruktur, rechts: Variante (Mit freundlicher Genehmigung von H.-D. Hager, Institut für Humangenetik der Universität Heidelberg)

. Abb. 8.10a–c. Varianten des Y-Chromosoms. a Normale Struktur, b Deletion des Heterochromatins (Yqh-), c Vergrößerung des Heterochromatins (Yqh+). Links: G-Banden, rechts: C-

Banden (Mit freundlicher Genehmigung von H.-D. Hager, Institut für Humangenetik der Universität Heidelberg)

dest ein Markerchromosom. Dabei ist die Wahrscheinlichkeit, dass zwei nicht verwandte Personen das gleiche Markerchromosom besitzen etwa 1:10.000. Nach detaillierter Untersuchung der Chromosomenmorphologie größerer Gruppen konnte belegt werden, dass es keine 2 Personen mit dem gleichen Typ von Chromosomenvariationen gibt. Scheinbar hat jede Person, ähnlich wie bei Fingerabdrücken, ihren individuellen Chromosomenheteromorphismus.

8.4.2 Fragile Stellen Eine andere strukturelle Variante menschlicher Chromosomen sind »fragile Stellen«. Diese Orte sind durch Störungen der Chromosomenstruktur gekennzeichnet. Hier besteht ein erhöhtes Risiko für Chromosomen- oder Chromatidenbrüche. Fragile Stellen sind in der Regel nicht unmittelbar sichtbar, sondern treten vielmehr bei bestimmten Präparationen wie Folsäuremangel in Kulturmedien auf.

151 8.5 · Evolutionäre Chromosomenveränderungen

8

. Übersicht 8.2. Strukturelle Varianten menschlicher Chromosomen

Chromosomaler Heteromorphismus Variabilität

Satellitenregionen der Chromosomen 13–15, 21 und 22 Heterochromatische Bereiche um das Zentromer Distale Bande des q-Arms von Y Sekundärkonstriktionen der Chromosomen 1 und 9

Markerchromosomen

Heteromorphismus in einem bestimmten Chromosom

Fragile Stellen

Orte mit erhöhtem Bruchrisiko im Chromosom, beispielsweise Martin-Bell-Syndrom

Chromosomeninstabilitäten und -umbauten bei Tumoren zeigen eine gewisse Homologie zwischen der Art der chromosomalen Veränderung und bestimmten fragilen Stellen (. Übersicht 8.2). Klinik Martin-Bell-Syndrom Eine fragile Stelle am langen Arm des X-Chromosoms (Xq28) ist besonders von Bedeutung, da sie mit einer charakteristischen Form geistiger Retardierung einhergeht. Mit einer Häufigkeit von 1:1000 findet man unter Männern das MartinBell-Syndrom. Bei 2–35% der X-Chromosomen dieser Personen ist eine spezifische fragile Stelle zu beobachten, deren Entstehungsmechanismus seit einiger Zeit aufgeklärt ist. Es handelt sich um repetitive Triplettsequenzen, die offenbar die Methylierung und die Chromatinstruktur betreffen. So entstehen zerbrechliche Stellen auf dem Chromosom. Das Syndrom führt bei hemizygoten Männern in der Regel zu Schwachsinn. Man findet dieses Marker-X-Chromosom auch bei weiblichen Überträgerinnen, und sogar unter retardierten Frauen ist es wesentlich häufiger als in der Normalbevölkerung. Viele männliche Patienten zeigen eine Reihe charakteristischer, phänotypischer Auffälligkeiten.

8.5

Evolutionäre Chromosomenveränderungen

In der Evolution haben neben Prozessen der Vermehrung des genetischen Materials auch Polyploidisierungen, d. h. Vervielfachungen ganzer Chromo-

somensätze in der Entwicklung von niederen zu höheren Lebewesen eine Rolle gespielt. In der Abstammungsreihe finden sich deutliche Hinweise hierfür selbst noch bei Fischen. Bei den Säugetieren ist es dann zu keiner bedeutenden Vermehrung der DNA mehr gekommen. Dafür lässt sich hier ein anderer für die Evolution des Menschen sehr wesentlicher Prozess beobachten, nämlich ein schrittweiser struktureller Umbau von Chromosomen.

8.5.1 Verminderung

der Chromosomenzahl Dies zeigt sich besonders eindrucksvoll in der Primatenentwicklung. So gibt es z. B. Halbaffen, deren Vorfahren als Ausgangsform für die Entstehung der höher entwickelten Affen gelten, die eine sehr große Zahl von Chromosomen (2n=80) besitzen. Näher in der Evolutionsreihe zum Menschen stehende Affen haben zunehmend weniger Chromosomen. So besitzt der Gibbon 44 Chromosomen und unsere nächsten Verwandten, Schimpanse (. Abb. 8.11), Orang-Utan und Gorilla 48 Chromosomen. Schon aufgrund der DNA-Menge ist es nun sicher nicht richtig anzunehmen, dass bei der Entwicklung zum Menschen mit seinen 46 Chromosomen tatsächlich Chromosomen verlorengegangen sind. Stattdessen spricht vieles dafür, dass es in mehreren Entwicklungsreihen durch Vereinigung bestimmter Chromosomen zur Verminderung der Chromosomenzahl, nicht jedoch der Menge des genetischen Materials, gekommen ist. So zeichnen sich gerade diejenigen Säugetierarten, die sehr viele Chromosomen besitzen, durch meist akrozentrische Chromosomen aus. Auch die erwähnten Halbaffen

152

Kapitel 8 · Chromosomen des Menschen

. Abb. 8.11. Chromsomensatz von Schimpanse und Mensch im Vergleich (4 wahrscheinliche Inversionen)

8

besitzen akrozentrische Chromosomen. Die Arten mit relativ wenigen Chromosomen, wie der Mensch und die Menschenaffen, haben dagegen vorwiegend metazentrische Chromosomen. Ein ähnlicher Prozess hat nach einer heute allgemein verbreiteten Ansicht bei der Artenentwicklung der Säugetiere bis zum Menschen eine wesentliche Rolle gespielt. So ist das Chromosom 2 des Menschen ein Fusionschromosom aus zwei akrozentrischen Chromosomen, wie die vergleichende Abbildung des Karyogramms von Schimpanse und Mensch zeigt. Das Chromosom 2 des Menschen besitzt auch heute noch 2 Zentromerregionen, von de-

nen eine funktionell unterdrückt ist. Der Vergleich zeigt weiter, dass auch Chromosomenumbauten stattgefunden haben, die man als peri- und parazentrische Inversionen bezeichnet, je nachdem ob das Zentromer mit eingeschlossen ist oder nicht. Die Bedeutung einer solchen Verringerung der Chromosomenzahl ist nicht völlig geklärt. Eine Möglichkeit wäre, dass sich geringere Chromosomenzahlen bei Mitose und Meiose besser geordnet verteilen lassen. Jedenfalls zeigen die Beispiele, dass nicht jede Chromosomenmutation klinische Konsequenzen haben muss, wie wir sie im weiteren Verlauf des Textes noch kennen lernen werden.

153 8.5 · Evolutionäre Chromosomenveränderungen

In Kürze

4 Chromosomenpräparate werden meistens aus Kurzzeit-Lymphozytenkulturen oder Langzeit-Fibroblastenkulturen (Postnataldiagnostik) sowie aus Amnionzellkulturen oder Mitosen nach Chorionzottenbiopsie (Pränataldiagnostik) hergestellt. 4 Die Hauptpräparationsschritte sind immer Anzucht im Nährmedium, Colchizin-Behandlung, hypotone Behandlung, Fixierung, Aufbringung auf Objektträger und Färbung. 4 Geeignete Färbemethoden sind G-, Q-, R- und C-Bänderung, FISH-Methoden und konventionelle Giemsa-Färbung. 4 Die Analyse erfolgt unter dem Mikroskop bei 1.000facher Vergrößerung. 4 Der Mensch besitzt 46 Chromosomen (44 Autosomen, 2 Gonosomen, XX oder XY). 4 Zur Erstellung eines Karyogramms lassen sich die Chromosomen nach Länge, Lage des Zentromers und Bandenmuster in 7 Gruppen von A–G + X und Y ordnen.

4 Homologe Chromosomen besitzen vergleichbare Bandenmuster. 4 Der kurze Chromosomenarm wird mit p, der lange mit q und die Regionen mit arabischen Ziffern bezeichnet. 4 Chromosomaler Heteromorphismus findet sich hauptsächlich in den Satellitenregionen akrozentrischer Chromosomen, im Heterochromatin ums Zentromer, der distalen Bande von Yq und in den Sekundärkonstriktionen von Chromosom 1 und 9. Weitere strukturelle Varianten sind fragile Stellen. 4 Im Evolutionsgeschehen der Chromosomen innerhalb der Säugetiere kam es zu erheblichen Chromosomenumbauten. 4 In der Primatenevolution bis hin zum Menschen kam es zur Chromosomenreduktion durch Bildung von metazentrischen Chromosomen aus akrozentrischen (Beispiel Schimpanse 48, Mensch 46).

8

9 Formale Genetik > > Einleitung Die formale Genetik hilft, viele Vererbungsmechanismen zu verstehen. Mit diesem Hintergrund können wir mehr oder weniger präzise Erbprognosen aufstellen und damit Paare oder Familien entscheidend beraten. Durch aktuelle Forschungen wird unser Wissen über die formalen Grundlagen der Vererbung stetig erweitert.

9.1

9

Begriffe und Symbole

In der formalen Genetik sind viele Fachbegriffe und Kenntnisse der Stammbaumsymbole nötig. Die wichtigsten Begriffe werden daher nachfolgend erläutert. Gerade der Arzt ist in der Praxis u. a. mit Leiden konfrontiert, die erblich sind und entweder direkt einem Mendelschen Erbgang folgen können oder zumindest eine erbliche Disposition voraussetzen. Es ist daher sinnvoll und notwendig, sich zuerst mit der Terminologie zu beschäftigen, die wir bei der Aufstellung eines Stammbaums brauchen. Die in der . Abb. 9.1 wiedergegebenen Symbole sind allgemein anerkannt und erleichtern es dem Arzt, durch eine Stammbaumanalyse festzustellen, ob er es in einem bestimmten Fall mit einem Leiden zu tun hat, das erblich ist oder nicht. Die Aufstellung eines Stammbaums liefert dem Arzt beim Verdacht auf ein erblich bedingtes Leiden die Grundinformation für alle weiteren Überlegungen. Als Genotyp bezeichnet man die Gesamtheit aller Erbanlagen eines Organismus. Dagegen stellt der Phänotyp die Summe aller Merkmale eines Einzelwesens dar, sein äußeres Erscheinungsbild, das durch den Genotyp im Zusammenwirken mit Umwelteinflüssen geprägt ist. Allele sind alternative Formen von Genen, die denselben Lokus im Chromosom bzw. auf homologen Chromosomen einnehmen. Verschiedene Allele unterscheiden sich voneinander durch eine oder mehrere mutative Veränderungen, Allele sind also Mutationen eines Gens. Von Homozygotie spricht man bei eukaryotischen (diploiden) Organismen beim Vorhandensein von identischen Allelen an sich entsprechenden

Loki in homologen Chromosomensegmenten. Heterozygotie ist dagegen bei eukayotischen (diploiden) Organismen das Vorhandensein von verschiedenen Allelen an den sich entsprechenden genetischen Loki homologer Chromosomen (. Übersicht 9.1).

. Übersicht 9.1. Homozygote und heterozygote Allele

Allelsituation

Definition

Homozygotie

Vorhandensein von identischen Allelen an sich entsprechenden Loki in homologen Chromosomensegmenten

Heterozygotie

Das Vorhandensein von verschiedenen Allelen an sich entsprechenden Loki in homologen Chromosomensegmenten

. Abb. 9.1. Auswahl der wichtigsten Symbole zur Erstellung eines Stammbaumes

155 9.2 · Mendelsche Gesetze

Im strengen Sprachgebrauch bezeichnet man ein Allel als dominant, wenn beim Heterozygoten neben seiner Wirkung die Wirkung des anderen Allels nicht erkennbar ist. In der Humangenetik ist es dagegen üblich, von Dominanz zu sprechen, wenn ein Gen bereits im heterozygoten Zustand eine deutlich erkennbare Wirkung hat, egal ob diese mit der des homozygoten Zustands (der auch oft unbekannt ist) gleich ist oder nicht. Rezessiv verhält sich dagegen im strengen Sprachgebrauch ein Gen gegenüber seinem Allel, wenn seine Wirkung im heterozygoten Zustand nicht phänotypisch erkennbar ist. Das rezessive Allel macht sich demnach nur im Phänotyp bemerkbar, wenn es homozygot vorhanden ist. In der Humangenetik entspricht dieser strengen Definition nur ein Teil der als rezessiv bezeichneten Gene. Üblicherweise nennt man Gene rezessiv, wenn sie erst im homozygoten Zustand eine deutlich erfassbare Wirkung zeigen, selbst dann, wenn auch im heterozygoten Zustand Teilmanifestationen sichtbar werden. Gene verhalten sich kodominant, wenn bei einem heterozygoten Allelpaar beide Genprodukte unabhängig voneinander vorkommen und sich beide phänotypisch manifestieren. Die Penetranz ist der Anteil (in %), mit dem ein dominantes oder homozygot rezessives Gen oder eine Genkombination sich im Phänotyp manifestiert. Expressivität ist die Stärke mit der ein Gen manifest wird. Man trifft oft auf sprachliche Ungenauigkeiten. So werden Gene oft gleich gesetzt mit den Eigenschaften bestimmter Merkmale. Erbkrankheiten, Krankheitsgene oder Krebsgen sind solche unkorrekten Begriffe. Gene bzw. Allele sind neutrale Begriffe, nicht Krankheiten werden vererbt sondern die zugrundeliegenden Allele. Der Genbegriff ist also neutral. Dies liegt natürlich daran, dass die Normalfunktion eines Gens erst über ein mutiertes Allel bekannt wird, das dann eine Erkrankung auslöst. Häufig kennt man die Normalfunktion noch nicht einmal oder hat sie zumindest zum Zeitpunkt der Erstbeschreibung der Erkrankung nicht gekannt. Dennoch sollte man sich dieser sprachlichen Ungenauigkeiten bewusst sein und sie möglichst vermeiden.

9.2

9

Mendelsche Gesetze

Schon im 18. Jahrhundert führten einige Naturforscher Kreuzungsversuche und variationsstatistische Untersuchungen an Pflanzen und Tieren durch. Gregor Mendel (1822–1884) berichtete 1865 vor dem Naturforschenden Verein in Brünn über seine »Versuche an Pflanzen-Hybriden«. Ihm gelang es als erstem, den Erbgang einzelner phänotypischer Merkmale aufzufinden und in Gesetze zu fassen. Die Entdeckungen Mendels gerieten dann allerdings für einige Jahrzehnte in Vergessenheit und wurden erst um 1900 durch Correns, Tschermak und De Vries wiederentdeckt. Aber erst nachdem Hertwig 1875 die Rolle der Kernverschmelzung bei der Befruchtung erkannt hatte und Roux und Weissmann seit 1883 die Chromosomen als Träger der Erbinformation vermuteten, waren die Erkenntnisse soweit gediehen, dass Sutton und Boveri (1902–1904) ihre »Chromosomentheorie der Vererbung« formulieren konnten. Mit der Annahme, dass die Mendelschen Faktoren, die man heute als Gene bezeichnet, auf Chromosomen stationiert sind, und der Erkenntnis, dass die Weitergabe der Mendelschen Faktoren durch die Generationen eine Parallele im Verhalten der Chromosomen während der Meiose und der Gametenkopulation findet, war es möglich, die Mendelschen Gesetze kausal zu verstehen.

9.2.1 1. Mendelsches Gesetz

(Uniformitätsgesetz) ! Kreuzt man zwei homozygote Linien miteinander, die sich in einem oder mehreren Allelpaaren unterscheiden, so erhält man eine heterozygote Filialgeneration mit einem einheitlichen Phänotyp (Uniformität).

Dabei ist es gleichgültig, welche der beiden homozygoten Linien als Vater oder welche als Mutter verwendet wird, wenn die betreffenden Genloki auf den Autosomen liegen; d. h. die Aufspaltung ist unabhängig vom Geschlecht. Als Beispiel sei hier die Kreuzung zwischen der rot- und der weißblühenden Form der Wunderblume (Mirabilis jalapa) erwähnt. Die erste Filialgeneration F1 ist uniform rosa blühend. Man spricht in

156

Kapitel 9 · Formale Genetik

diesem Falle von einer intermediären Wirkung der beiden beteiligten Gene für die Blütenfarben weiß und rot. Intermediäre Vererbung bedeutet, dass sich die beiden homozygoten Elterntypen und die heterozygote Filialgeneration phänotypisch voneinander unterscheiden lassen. In der F1 kommt die rosa Farbe der Blüten durch eine gleichzeitige phänotypische Manifestation beider vererbter Gene der P-Generation (nämlich für weiße und für rote Blütenfarbe) zustande. Kreuzt man dagegen homozygote rot- und weißblühende Erbsen, so ist die heterozygote F1 uniform rot wie der eine Elternteil. Hier setzt sich also das Gen für die rote Farbe durch und »überdeckt« das für die weiße Farbe. Da das Gen für die rote Farbe den Phänotyp der F1 bestimmt, sagt man, es ist dominant über dasjenige für die weiße Farbe, das als rezessiv bezeichnet wird.

9

9.2.2 2. Mendelsches Gesetz

(Spaltungsgesetz) ! Kreuzt man F1-Hybriden, die in einem Allelpaar heterozygot sind, so ist die F2-Generation nicht uniform, sondern spaltet sich phänotypisch in bestimmten Zahlenverhältnissen auf.

Betrachten wir wieder die Verhältnisse bei der Wunderblume: Kreuzt man hier die bezüglich der Blütenfarbe heterozygoten rosa F1-Pflanzen unter sich, so erhalten wir in der F2 zur Hälfte rosa blühende (den Eltern gleichende Vertreter), zu 1/4 finden wir jedoch rote und zu 1/4 weiße Pflanzen. Die roten und weißen Vertreter sind homozygot »herausgemendelt«, während die rosa blühenden heterozygot sind und unter sich gekreuzt immer wieder das Aufspaltungsverhältnis 1:2:1 für rot, rosa und weiß zeigen. Diese Spaltung ist auf die Trennung der homologen Chromosomen in der Meiose zurückzuführen. Die Gameten können, da sie ja haploid sind, nur eines der beiden Allele enthalten, entweder das für rote oder das für weiße Blütenfarbe. In der Zygote wird nun eine Kombination der Gene rot/rot, rot/ weiß, weiß/rot und weiß/weiß ermöglicht. Da die Gene für rot und weiß dominant wirken, sind alle heterozygoten Pflanzen rosa, und wir kommen zwangsläufig zu der Aufspaltung 1:2:1.

Ist der Erbgang nicht intermediär, sondern dominant, so haben wir zwar auch eine Aufspaltung 1:2:1 der Genotypen. Phänotypisch erhalten wir ein Verhältnis von 3:1, da die Heterozygoten den Phänotyp des dominanten Allels zeigen. Bei intermediärem Erbgang entsprechen sich also Genotyp und Phänotyp, während bei dominantem Erbgang heterozygote und dominant homozygote Individuen bei verschiedenen Genotypen den gleichen Phänotyp zeigen. Der Genotyp bei dominantem Erbgang kann jedoch durch Rückkreuzung mit dem homozygoten rezessiven Partner analysiert werden. Ist das zu untersuchende Individuum homozygot für das dominante Allel, so ist die Rückkreuzungsgeneration uniform, nämlich heterozygot und phänotypisch entsprechend dem dominanten Allel. Handelt es sich dagegen bei dem zu untersuchenden Individuum um einen Heterozygoten, so spaltet sich die Rückkreuzungsgeneration im Verhältnis 1:1 auf. Wir erhalten genauso viele heterozygote Vertreter mit dem Phänotyp des dominanten Elternteils wie homozygote mit rezessivem Merkmal.

9.2.3 3. Mendelsches Gesetz

(Unabhängigkeitsregel) ! Kreuzt man zwei homozygote Linien miteinander, die sich in zwei oder mehreren Allelpaaren voneinander unterscheiden, so werden die einzelnen Allele bei der Weitergabe durch die Generationen unabhängig voneinander, entsprechend den beiden ersten Mendelschen Gesetzen, vererbt. Dabei können in der F2-Generation neue Merkmalskombinationen auftreten.

Das 3. Mendelsche Gesetz besagt also, dass die Gene unabhängig voneinander frei kombinieren (. Übersicht 9.2). Dies gilt allerdings nur für Gene, die sich auf verschiedenen Chromosomen befinden. Verschiedene Gene, die sich auf einem Chromosom befinden, können nicht unabhängig voneinander kombinieren, da ja die Chromosomen als Kopplungsgruppen im meiotischen Geschehen als Ganzes auf die Gameten verteilt werden. Die Kopplung aller Gene eines Chromosoms braucht jedoch nicht absolut zu sein, da in der Meiose ein Crossing-over

157 9.4 · Autosomal-dominanter Erbgang

9

. Übersicht 9.2 Mendelsche Gesetze 1. Mendelsches Gesetz (Uniformitätsgesetz)

Kreuzt man 2 homozygote Linien, die sich in einem oder mehreren Allelpaaren unterscheiden, so sind alle F1-Hybriden uniform

2. Mendelsches Gesetz (Spaltungsgesetz)

Kreuzt man F1-Hybride, die in einem Allelpaar heterozygot sind, so ist die F2-Generation nicht uniform

3. Mendelsches Gesetz (Unabhängigkeitsregel)

Kreuzt man 2 homozygote Linien untereinander, die sich in 2 oder mehreren Allelpaaren voneinander unterscheiden, so werden die einzelnen Allele unabhängig voneinander, entsprechend den beiden ersten Mendelschen Gesetzen vererbt

zwischen homologen Chromatiden von Schwesterchromosomen stattfinden kann. Dies ermöglicht eine erhöhte Rekombination von Genen, was unter dem Gesichtspunkt der möglichen genetischen Variabilität von erheblicher Bedeutung ist.

9.3

Kodominanter Erbgang

Wir haben am Beispiel der Wunderblume den intermediären Erbgang entsprechend den Regeln des 1. Mendelschen Gesetzes erklärt. Auch bei Menschen gibt es Fälle, in denen sich beide für ein Allelpaar mögliche homozygote Formen vom heterozygoten Zustand unterscheiden lassen, sodass den drei Genotypen auch drei verschiedene Phänotypen entsprechen. Wir sprechen hier von einem kodominanten Erbgang (auf den feinen Unterschied zwischen kodominant und intermediär soll hier nicht eingegangen werden). Dies gilt z. B. für Haptoglobine, eine Gruppe von Plasmaproteinen. Ein weiteres Beispiel sind die Blutgruppen des MN-Systems, die früher bei Vaterschaftsgutachten eine Rolle spielten, da sich die Genotypen leicht und eindeutig bestimmen lassen (. Abb. 9.2).

. Abb. 9.2. Rolle des MN-Systems bei der Vaterschaftsbegutachtung

9.4

Autosomal-dominanter Erbgang

9.4.1 Abgrenzung der Erbgänge Die Grenzen zwischen den Begriffen dominant, kodominant und rezessiv sind in der Definition häufig schärfer zu fassen als in der Natur exakt zu beobachten. Nach strengem Sprachgebrauch liegt dominante Vererbung vor, wenn bereits die Anwesenheit der entsprechenden genetischen Information in einfacher Dosis genügt, um das Merkmal voll zur Ausprägung zu bringen. ! Der heterozygote Träger des Gens zeigt die phänotypischen Auswirkungen des Gens, weil die Aktivität des normalen Allels für die Kompensation des mutierten Allels nicht ausreicht (Haploinsuffizienz). Allerdings kann auch sein, dass das mutierte Genprodukt die Funktion des normalen stört, beispielsweise aufhebt oder eine ganz neue Wirkung besitzt. Diese Phänomene werden als dominantnegative Genwirkung und/oder Aktivierungswirkung bezeichnet.

Ob ein Gen als dominant oder rezessiv eingestuft wird, hängt aber häufig von der Genauigkeit ab, mit der man phänotypische Merkmale von Heterozygoten untersucht oder nach dem heutigen Forschungsstand untersuchen kann. Je sorgfältiger und detaillierter der Vergleich von homozygoten und heterozygoten Trägern durchgeführt wird, desto eher aber wird man auch phänotypische Unterschiede entdecken. So werden auch verfeinerte Untersuchungsmethoden in der Zukunft sicher immer mehr solche Unterschiede aufzeigen.

158

9

Kapitel 9 · Formale Genetik

Die exakte Definition von Dominanz und Rezessivität ist jedoch in der Humangenetik aus praktischen Gründen nicht beibehalten worden. Heute sind beim Menschen über 6000 meist sehr seltene, dominant erbliche Merkmale bekannt, die in den meisten Fällen zu mehr oder weniger schweren Fehlbildungen oder Anomalien führen. Dies bedeutet keineswegs allgemein, dass etwa alle oder die meisten dominanten Gene zu Fehlbildungen führen. Vielmehr ist die Dominanz eines Gens bei solchen Genen, die zu schweren Anomalien führen, einfach leichter zu entdecken. Homozygote Träger solcher krankhafter Gene sind wegen der Seltenheit dieser Gene und wegen des oft erheblichen Fortpflanzungsnachteils der Heterozygoten häufig gar nicht bekannt. Die Übereinstimmung zwischen dem homozygoten und dem heterozygoten Genotyp ist also oft gar nicht nachprüfbar. Wenn homozygot Kranke bekannt sind, ist das Erbleiden häufig wesentlich schwerer ausgeprägt als im heterozygoten Fall. Man müsste in diesen Fällen streng genommen von kodominantem Erbgang sprechen. Scharfe Grenzen sind aber, wie gesagt, sehr selten zu ziehen. Deshalb hat sich durchgesetzt, ein Merkmal als dominant erblich zu bezeichnen, wenn die Heterozygoten deutlich vom Normalen abweichen. Man sollte sich also beim Gebrauch der Begriffe dominant und rezessiv darüber im Klaren sein, dass diese eine Abstraktion darstellen, die in praktischen und didaktischen Notwendigkeiten begründet ist, biologische Tatsachen aber oft ungenau wiedergibt.

tenen menschlichen Erbleiden, von einem der Eltern auf die Hälfte der Kinder (. Abb. 9.3, 9.4, 9.5). Der übertragende Elternteil ist gewöhnlich heterozygot für das entsprechende Allel, während der andere normalerweise homozygot für das wesentlich häufigere (bei menschlichen Erbleiden nicht krankhafte) rezessive Allel ist. ! Für jedes Kind eines Merkmalträgers ergibt sich damit bei einem autosomal-dominanten Erbleiden eine Erkrankungswahrscheinlichkeit von 1/2.

Dabei spielt es keine Rolle, welcher Elternteil das krankhafte dominante Allel in die Zygote eingebracht hat. Träger von schweren autosomal-dominanten Erbleiden erreichen häufig gar nicht das Fortpflanzungsalter oder sind so stark geschädigt, dass die Fortpflanzungsrate, verglichen mit der Normalbevölkerung, stark herabgesetzt bzw. häufig gleich Null ist. Daher sollte man erwarten, dass sich auf diese Weise krankhafte dominante Gene von selbst eliminieren. Jedoch treten solche Erbleiden häufig auch sporadisch auf, d. h. beide Eltern sind gesund, das Kind trägt aber eine Anomalie oder Fehlbildung, deren

9.4.2 Merkmale des autosomal-

dominanten Erbgangs ! Viel häufiger als der kodominante Erbgang ist beim Menschen der dominante Erbgang, bei dem der Phänotyp eines Homozygoten dem Phänotyp eines Heterozygoten mehr oder weniger entspricht. Von autosomal-dominanter Vererbung spricht man dann, wenn der betreffende Genlokus auf einem Autosom und nicht auf einem Geschlechtschromosom liegt.

Die Übertragung eines autosomal-dominanten Merkmals erfolgt in der Regel, etwa bei einem sel-

. Abb. 9.3. Häufigster Kreuzungstyp bei autosomal-dominantem Erbgang, wenn das Leiden nicht durch Neumutation entsteht

159 9.4 · Autosomal-dominanter Erbgang

9

. Abb. 9.4. Kreuzungstypen bei autosomalem Erbgang. A dominantes Gen, a rezessives Gen

. Abb. 9.5. Beispiel eines Stammbaumes für autosomal-dominanten Erbgang. Spalthand und Spaltfuß (eine anatomische Fehlbildung von Händen und Füßen). Dabei weisen mit Q

bezeichnete Personen die Anomalie in ausgeprägter Form auf, mit Q bezeichnete Personen sind etwas weniger fehlgebildet (Nach Vogel 1961)

160

9

Kapitel 9 · Formale Genetik

Symptomatik aus anderen Sippen als autosomal-dominant bekannt ist. In diesem Falle hat man es mit einer Neumutation zu tun. Solche Neumutationen sind um so häufiger im Verhältnis zur Gesamtzahl der Erkrankten zu beobachten, je schwerer das betreffende Erbleiden schon im frühen Alter das Leben seines Trägers beeinträchtigt und je weniger sich die Merkmalsträger fortpflanzen. Es kann aber auch vorkommen, dass zwar ein Elternteil Träger des autosomal-dominanten Gens ist, dieses sich aber bei ihm aus uns bisher unbekannten Gründen nicht vollständig phänotypisch manifestiert, allerdings bei 50% der Nachkommenschaft auftritt. Man spricht in diesem Falle von einer unvollständigen Penetranz eines Erbleidens. Die Penetranz gibt an, bei wie viel Prozent der Genträger sich das Leiden manifestiert. Hat also z. B. ein Erbleiden eine Penetranz von 60%, so bedeutet dies, dass nur 60% der Genträger auch wirklich die Symptomatik des Leidens zeigen und die restlichen 40% davon mehr oder weniger frei sind. Diese können das Erbleiden jedoch auf ihre Kinder weitervererben, bei denen es sich dann manifestieren kann (. Übersicht 9.3). Im Gegensatz zu den autosomal-rezessiven Formen wirken autosomal-dominante Erbleiden gewöhnlich nicht über einen Enzymblock. Charakteristisch für dominante Vererbung sind ausgedehnte Anomalien der Gewebsbeschaffenheit und der Organform mit schweren äußerlichen Fehlbildungen. Eine konstante Stoffwechselveränderung ist im Ge-

gensatz zu autosomal-rezessiver Genwirkung normalerweise nicht erfassbar. Man nimmt daher für dominante Erbleiden an, dass abnormale Genprodukte gebildet werden, deren Aufgabe nicht die Steuerung von Stoffwechselprozessen sondern der Aufbau von Zellstrukturen und Gewebestrukturen ist. Vermutlich werden abnormale Polypeptide oder Proteine neben normalen gebildet und in die Zellund Gewebestrukturen eingebaut, die jedoch dann die Struktur krankhaft verändern und zu ausgedehnten Fehlbildungen führen.

AB0-Blutgruppen Ein Beispiel für autosomal-dominante Vererbung sind die AB0-Blutgruppen des Menschen. Die Unterschiede in den Blutgruppen A, B, AB und 0 gehen auf 3 verschiedene Allele eines Gens zurück. Man spricht hier von genetischem Polymorphismus oder multipler Allelie. Dabei sind die Allele für die Blutgruppen A und B dominant über das für die Blutgruppe 0. Im heterozygoten Zustand entfalten die Allele für A und B ihre Wirkung gleich stark, d. h. sie sind kodominant. Einige seltene Varianten des A-Antigens sind bekannt, wobei neben dem häufigsten Antigen A1 praktisch nur noch das seltene A2 im Labor zur Anwendung gelangt. Menschen mit der Blutgruppe A oder B können genotypisch sowohl A/A oder A/0 bzw. B/B oder B/0 sein, d. h. homo- oder heterozygot. Träger der Blutgruppe 0 sind aber immer genotypisch homozygot 0/0 (. Übersicht 9.4).

. Übersicht 9.3. Hauptkriterien autosomal-dominanter Vererbung Morphologische Fehlbildungen oder Anomalien und Störungen der Gewebsstruktur sind häufig Dominant vererbte Erkrankungen sind meist äußerlich sichtbar Übertragung erfolgt in der Regel von einem der Eltern auf die Hälfte der Kinder Der Phänotyp heterozygoter Genträger entspricht weitgehend dem homozygoter Genträger Beide Geschlechter erkranken gleich häufig Bleibt ein Genträger merkmalsfrei, so liegt unvollständige Penetranz vor Durch unvollständige Penetranz oder Spätmanifestation kann eine unregelmäßig dominante Vererbung vorliegen Nachkommen merkmalsfreier Personen sind merkmalsfrei, wenn volle Penetranz herrscht Dominante Gene können pleiotrope Wirkung besitzen Sporadische Fälle beruhen in der Regel auf Neumutationen (bei schweren Erbleiden über 50% der Fälle) Die meisten autosomal-dominanten Erkrankungen haben Häufigkeiten unter 1/10.000, alle Erkrankungen zusammen haben eine Gesamthäufigkeit von etwa 7 auf 1000 Neugeborene

161 9.4 · Autosomal-dominanter Erbgang

9

. Übersicht 9.4. AB0-Blutgruppen

Blutgruppe

Antigene auf Erythrozyten

Antikörper im Serum

Genotyp

Verteilung in Mitteleuropa

A

A

Anti-B

A/0 oder A/A

40%

B

B

Anti-A

B/0 oder B/B

16%

AB

A und B

Keine

A/B

4%

0

Keine

Anti-A, Anti-B

0/0

40%

Biochemische Eigenschaften. Die biochemischen

Unterschiede der AB0-Antigene sind uns bekannt. Die AB0-Antigene der Erythrozyten bestehen aus Glykoproteinen, die spezifischen antigenen Eigenschaften werden von den Zuckerbestandteilen (Tetrasaccharide) bestimmt. Die H-Substanz (Anti-H) – das menschliche Immunsystem bildet dagegen keine Antikörper – ist ein Trisaccharid, welches aus NAcetyl-Glukosamin (NAcGlu) und D-Galaktose (Gal) besteht. An das Galaktosemolekül ist das Zuckermolekül L-Fukose angegliedert. Träger der HSubstanz haben die Blutgruppe 0. Träger der Blutgruppe A verfügen zusätzlich über eine Transferase, die an den Galaktoserest der H-Substanz ein Molekül N-Acetyl-Galaktosamin (NAcGal) anheftet. Bei der Blutgruppe B wird durch eine weitere Transferase ein Molekül D-Galaktose (Gal) angehängt. Träger der Blutgruppe AB besitzen beide Transferasen und damit beide Arten von Tetrasacchariden. Die Blutgruppe 0 ist durch ein Paar alleler Gene (H und h) determiniert, die von den AB0-Antigenen unabhängig sind (. Abb. 9.6). Klinische Bedeutung. Die Kenntnis der Blutgruppen ist wichtig für Bluttransfusionen, da es bei der Übertragung von unverträglichem Blut zur Hämolyse kommt. Die Antigene der Erythrozyten setzen, falls sie in ein Individuum gelangen, das diese Antigene nicht trägt, die Antikörperproduktion in Gang. Die Antikörper lagern sich an die Antigene an. Da die Antikörper bivalent sind, geschieht diese Anlagerung gleichzeitig an zwei Erythrozyten, worauf die roten Blutkörperchen verklumpen (Agglutination), sich auflösen und zugrunde gehen. Auch Personen, die noch nie eine Bluttransfusion erhalten haben, besitzen bereits Antikörper in ihrem Serum. Dies lässt sich dadurch erklären, dass bestimmte Darmbakterien den Blutgruppenantigenen gleiche Strukturen auf ihrer Oberfläche tra-

. Abb. 9.6. Biochemische Grundlagen des AB0-Blutgruppensystems. Gal: D-Galaktose, NAcGal: N-Acetyl-Galaktosamin, NAcGlu: N-Acetyl-Glukosamin

gen, die bereits eine Antikörperproduktion induziert haben. Personen der Blutgruppe A haben folglich Antikörper gegen B und solche mit der Blutgruppe 0 haben Anti-A und Anti-B. Personen mit der Blutgruppe A/B besitzen keine Antikörper im Serum. Die Bestimmung von Blutgruppen wurde früher neben anderen Untersuchungsmethoden zur Vaterschaftsbegutachtung herangezogen. Klinik Achondroplasie Ein Beispiel für eine autosomal-dominant erbliche Mutation ist die Achondroplasie, eine Form des disproportionierten Zwergwuchses mit einer Häufigkeit von 1:30.000. Charakteristisch sind vor allem im stammnahen Bereich stark verkürzte Extremitäten, relativ kurze Finger, vermehrter Abstand zwischen dem 3. und 4. Finger

6

162

9

Kapitel 9 · Formale Genetik

(Dreizackhand), großer Kopf mit vorgewölbter Stirn und abnormer Schädelbasis, gelegentlich erweiterte Hirnventrikel, hypoplastisches Mittelgesicht, tiefe Nasenwurzel und eine deutliche Lordose (. Abb. 9.7). Aufgrund eines relativ langen Rumpfes haben die Patienten fast normale Sitzhöhe. Röntgenologisch werden verkürzte Röhrenknochen, unregelmäßig begrenzte Metaphysen, eingeengter Wirbelkanal, quadratische Beckenschaufeln und Makrozephalie beobachtet. Die Endgröße liegt zwischen 120 und 148 cm. Die normale Haut ist für die verkürzten Extremitäten zu weit und bildet daher charakteristische Falten. Etwa 80% der Fälle von Achondroplasie sind Neumutationen. Durch molekulargenetische Analyse der homozygoten und heterozygoten Patienten konnten Mutationen des Fibroblasten-Growth-Faktor-Rezeptor III (FGFR III) als Ursache der Achondroplasie identifiziert werden. Die Krankheitsbilder der thanatophoren Dysplasie sowie der Hypochondroplasie werden ebenso durch Mutationen im FGFR-III-Gen verursacht. Dies zeigt, dass diese phänotypisch unterschiedlichen Krankheitsbilder allelische Varianten sind.

Bedeutung des väterlichen Alters Während alle Oozyten zum Zeitpunkt der Geburt eines Mädchens gebildet sind und im Diktyotänstadium über die Pubertät hinaus oft viele Jahre, ja Jahrzehnte, verharren, bis einzelne pro Zyklus die Meiose vollenden und sich zu befruchtungsfähigen Oozyten entwickeln, ist die Spermatogenese ein kontinuierlicher Prozess (7 Kap. 5.4.2). Die Anzahl von Zellteilungen, die ein Spermium von der frühen embryonalen Entwicklung bis zum Alter eines 28-jährigen Mannes durchmacht, ist 15-mal größer, als die Anzahl der Teilungen in der Entwicklung einer Oozyte. Legt man ein höheres Lebensalter zugrunde, würde sich eine noch höhere Zahl ergeben, wobei solche Abschätzungen wegen des Rückgangs der Spermatogenese im höheren Lebensalter problematisch sind. Die Kenntnis dieser Unterschiede zwischen Oound Spermatogenese ist notwendig, um zu verstehen, dass die Genmutationsrate mit zunehmendem

. Abb. 9.7. Patient mit Achondroplasie. (Mit freundlicher Genehmigung von J. Pfeil, Orthopädische Univ. Klinik Heidelberg)

Alter des Vaters ansteigt. Offensichtlich hängt die Mutationsfrequenz mit der Zellteilung und der DNA-Replikation zusammen. Während der Replikation werden falsche Basen eingebaut, eine erhöhte Zellteilungsrate führt folglich zu einer höheren Rate an Spontanmutationen. Die . Abb. 9.8 zeigt die relativen Mutationsraten im Vergleich zum Populationsdurchschnitt für die dominanten Erbkrankheiten Achondroplasie, das Apert-Syndrom, die Myositis ossificans, das MarfanSyndrom und für die X-chromosomal-rezessive Hämophilie A (mütterlicher Großvater). Allerdings zeigen nicht alle dominanten Mutationen einen deutlichen väterlichen Alterseffekt. So zeigt das bilaterale Retinoblastom nur einen schwachen Effekt des väterlichen Alters, die Neurofibromatose, die Osteogenesis imperfecta und die tuberöse Sklerose einen statistisch nicht signifikanten Effekt. Neben der Hämophilie A ist für andere X-chromosomal-rezessive Erkrankungen ein Alterseffekt wahrscheinlich, wobei die Mutation in den Keimzellen des mütterlichen Groß-

163 9.4 · Autosomal-dominanter Erbgang

. Abb. 9.8. Abhängigkeit der Genmutationen vom väterlichen Alter

9

164

Kapitel 9 · Formale Genetik

vaters neu aufgetreten sein muss. Jedenfalls beobachtet man für mehrere X-chromosomal vererbte Erkrankungen, wie außer bei der Hämophilie A auch beim Lesch-Nyhan-Syndrom, eine deutlich höhere Mutationsrate im männlichen Geschlecht.

9.5

Autosomal-rezessiver Erbgang

Von einem autosomal-rezessiven Erbgang sprechen wir dann, wenn nur der homozygote Genträger das uns interessierende Merkmal – etwa eine Erbkrankheit – aufweist, während der Heterozygote sich nicht von dem häufigeren »normalen« Homozygoten mit zwei nicht krankhaften Allelen unterscheidet.

9.5.1 Merkmale des autosomal-

rezessiven Erbgangs

9

. Abb. 9.9. Häufigster Kreuzungstyp bei autosomal-rezessivem Erbgang

Bei allen schweren autosomal-rezessiven Erbleiden wird der Kranke in der Regel von gesunden Eltern abstammen, die jedoch selbst heterozygot für das betreffende Gen sind. Die Eltern tragen zwar genotypisch das Leiden, das sich aber phänotypisch nicht ausdrückt, da die Wirkung des betreffenden Gens im Vergleich zum normalen, nicht krankhaften Allel rezessiv ist. ! Eltern, die beide heterozygot für ein autosomal-rezessives Leiden sind, werden entsprechend dem 2. Mendelschen Gesetz zu 1/4 homozygot kranke Kinder bekommen, d. h. jedes Kind hat ein Erkrankungsrisiko von 25%.

50% der Kinder aus einer solchen Verbindung werden heterozygote Genträger des krankhaften Allels sein, sind aber wegen der Rezessivität phänotypisch unauffällig, und 25% der Kinder werden genotypisch und phänotypisch »normal« sein, da sie homozygot nur die beiden homologen »Normalallele« geerbt haben. Genotypisch ergibt sich also ein Aufspaltungsverhältnis von 1:2:1, phänotypisch jedoch von 3:1, also von 75% gesunden Kindern und von 25% kranken Kindern (. Abb. 9.9). Bei der geringen Kinderzahl in den meisten Familien in der heutigen Zeit heißt das aber, dass die Mehrzahl der Kranken anscheinend »sporadisch« auftritt. Sie sind

. Abb. 9.10. Beispiel für autosomal-rezessiven Erbgang. Xeroderma pigmentosum

häufig die einzigen Kranken in der Familie und in der Sippe (. Abb. 9.10). Diese Fakten sollte der Arzt sorgfältig beachten und nicht aus der Tatsache, dass weitere Kranke in der Familie nicht auffindbar sind, ableiten, das Leiden wäre nicht erblich. Daher ist es angesichts der Situation, dass wir zur Zeit ca. 4.000 autosomal-rezessive Erbleiden kennen, die zwar meist sehr selten sind, jedoch häufig für das betreffende Individuum sehr schwere Folgen haben, für den Arzt unbedingt notwendig, zumindest die Symptome der häufigsten autosomal-rezessiven Erbleiden zu kennen und im Zweifelsfall einen Fachmann, z. B. einen Humangenetiker, zu Rate zu ziehen. Wurde bei einem Kind die Diagnose einer autosomal-rezessiven Erbkrankheit gestellt, so sollte der behandelnde Arzt die Eltern

165 9.5 · Autosomal-rezessiver Erbgang

9

. Übersicht 9.5. Hauptkriterien autosomal-rezessiver Vererbung Häufig Stoffwechselstörungen, speziell Enzymdefekte Übertragung erfolgt von beiden Eltern, die heterozygote, phänotypisch gesunde Genträger sind, auf 1/4 der Kinder, 1/2 der Kinder ist heterozygot, phänotypisch gesund und 1/4 homozygot gesund Nur homozygote Genträger erkranken Beide Geschlechter sind gleich häufig erkrankt Die Mehrzahl der Kranken tritt anscheinend sporadisch auf, eine Folge der geringen Kinderzahl heutiger Familien Patienten mit seltenen Erkrankungen gehen häufiger aus Verwandtenehen hervor Neumutationen spielen im Einzelfall keine Rolle und sind normalerweise auch nicht nachweisbar Die meisten rezessiven Gene haben Häufigkeiten zwischen 1/100 und 1/1000, homozygote Krankheiten zwischen 1/10.000 bis 1/1.000.000. Alle Krankheiten zusammen haben eine Gesamthäufigkeit von 2,5 auf 1.000 Neugeborene

. Abb. 9.11. Beispiel eines Stammbaums mit Pseudodominanz bei Alkaptonurie ( Alkaptonurieverdacht, Geschlecht unbekannt)

unbedingt über das 25%ige Erkrankungsrisiko für jedes weitere Kind informieren (. Übersicht 9.5). Ein Spezialfall rezessiver Vererbung ist die Verbindung eines homozygoten Genträgers für ein erbliches Stoffwechselleiden mit einem heterozygoten Genträger. Hier ist der Erwartungswert für erkrankte Kinder nicht mehr 25%, sondern 50%, wie sich leicht formal ableiten lässt. Vom Erwartungswert her wird also hier autosomal-dominante Vererbung simuliert. Man spricht daher von Pseudodominanz (. Abb. 9.11). Grundsätzlich sollte noch erwähnt werden, dass man beim Menschen normalerweise bei allen Erbgängen nicht exakt die nach den Mendelschen Gesetzen zu erwartenden Aufspaltungsziffern erhält, sondern nur innerhalb der statistischen Grenzen. Der Grund hierfür ist, dass die zur Befruchtung gelangenden Keimzellen nur eine winzige Stichprobe aller gebildeten Keimzellen darstellen (. Abb. 9.5).

. Abb. 9.12. Störungen im Stoffwechsel aromatischer Aminosäuren und ihre Folgen für den Menschen (vereinfachtes Schema)

9.5.2 Erbliche Stoffwechselstörungen Einem autosomal-rezessiven Erbgang folgen insbesondere erbliche Stoffwechselleiden, speziell Enzymdefekte, normalerweise mit einem Mangel eines bestimmten Enzyms. Untersucht man heterozygote Genträger, so stellt man fest, dass sie nur etwa 50% der normalen Enzymaktivität besitzen. Das genügt in der Regel zur Aufrechterhaltung einer phänotypisch normalen Lebensfunktion, sodass heterozygote Genträger im Allgemeinen keine Krankheitserscheinungen zeigen.

Phenylketonurie Im Stoffwechsel der aromatischen Aminosäuren Phenylalanin und Tyrosin sind mehrere rezessiv erbliche Störungen bekannt (. Abb. 9.12). Die wichtigste davon ist die Phenylketonurie. Träger dieser Krank-

166

9

Kapitel 9 · Formale Genetik

heit haben einen genetischen Block (es fehlt Phenylalanin-Oxidase), durch den Phenylalanin nicht in Tyrosin umgewandelt werden kann. Phenylalanin geht infolgedessen durch Transaminierung in Phenylbrenztraubensäure über. Das Gen ist auf den langen Arm des Chromosoms 12 (12q22–q24) lokalisiert. Die Stoffwechselstörung führt schon im Säuglings- und Kleinkindalter zu schweren irreversiblen Gehirnschädigungen und zu Schwachsinn. Man kann durch einen Test, der in Deutschland und in vielen anderen Ländern routinemäßig bei Neugeborenen durchgeführt wird, Träger dieser rezessiv erblichen Krankheit erkennen. Den Kindern wird dann durch eine strenge Diät die zum Wachstum gerade notwendige Menge (aber keinen Überschuss!) an Phenylalanin verabreicht und so die Gehirnschädigung vermieden. Die Diät führt, wenn sie möglichst früh nach der Geburt angesetzt und für einige Jahre konsequent eingehalten wird, zu einer völligen geistigen Normalentwicklung. ! Die Frühdiagnose der Phenylketonurie ist sehr wichtig!

Alkaptonurie Eine weitere Stoffwechselstörung ist die Alkaptonurie. Bereits 1902 erkannte der englische Arzt Garrod die mutative Grundlage dieses Stoffwechseldefekts. Seine Veröffentlichung über »The incidence of alkaptonuria: a study in chemical individuality« begründet die erste Anwendung von Mendels Genkonzept auf den Menschen und damit seine Einführung in die Humanmedizin. Träger dieses Leidens scheiden Urin aus, der sich durch Luftoxidation rasch dunkel färbt. Dies ist durch einen genetischen Block bedingt, der einen weiteren Abbau der Homogentisinsäure verhindert. Sie wird daher im Urin ausgeschieden, in dem die Homogentisinsäure zu p-Chinon oxidiert, das dann zu einem dunklen Farbstoff polymerisiert. Die Stoffwechselstörung hat meist keine schweren Folgen. Das Gen ist auf den langen Arm des Chromosoms 3q2 lokalisiert.

Albinismus Auch Albinismus ist durch einen Block im Phenylalanin-Tyrosin-Stoffwechsel bedingt (. Abb. 9.13).

. Abb. 9.13. Albinismus bei einem südamerikanischen Krallenaffen (Callithrix jacchus)

Das Gen ist auf den langen Arm des Chromosoms 11 (11q14–q21) lokalisiert. Die Melaninverbindungen, die für die Pigmentierung der Haut, der Haare und der Augen verantwortlich sind, entstehen aus 3,4-Dihydroxyphenylalanin, das aus Tyrosin gebildet wird. Bei der Phenylketonurie und der Alkaptonurie wird also durch Enzymblocks ein Stoffwechselzwischenprodukt angehäuft, beim Albinismus ist der Mangel eines Stoffwechselzwischenproduktes für das Leiden verantwortlich. Durch verschiedene Blockaden im PhenylalaninTyrosin-Stoffwechsel treten also verschiedene Krankheiten im Rahmen einer von einem Gen ausgehenden Stoffwechselkette auf. Man bezeichnet solche, durch Kombination verschiedener Teilbeiträge auftretenden Erscheinungen als komplementäre Polygenie.

9.6

X-chromosomaler Erbgang

Wir haben in den vorhergehenden Kapiteln Erbgänge besprochen, bei denen die verantwortlichen Gene auf den Autosomen lokalisiert sind. Wir wollen nun auf die geschlechtsgebundene Vererbung eingehen, d. h. auf den Vererbungsmodus von Genen, die auf den Gonosomen lokalisiert sind.

167 9.6 · X-chromosomaler Erbgang

9

Da auf dem menschlichen Y-Chromosom nur wenige Gene bekannt sind, für die ein Mendelscher Erbgang in Frage kommt, können wir uns auf die X-chromosomalen Erbgänge beschränken. Das menschliche X-Chromosom enthält relativ zahlreiche Gene, deren Erbgang sowohl dominant als auch rezessiv sein kann, wobei der rezessive Erbgang praktisch die größere Bedeutung hat.

9.6.1 Der X-chromosomal-rezessive

Erbgang Betrachten wir also zuerst den X-chromosomalen Erbgang am Beispiel eines rezessiven Gens für ein Erbleiden. Hierbei gibt es folgende wesentliche Kreuzungsmöglichkeiten: 1. Mutter homozygot normal (XX); Vater hemizygot krank (XY). ! Von Hemizygotie spricht man, wenn ein Gen nur einmal im Genotyp vorhanden ist, also bei Genen, die auf dem einzigen X-Chromosom des Mannes lokalisiert sind. Ein rezessives Gen, das auf dem X-Chromosom liegt, wird sich phänotypisch beim Mann manifestieren, da er im Gegensatz zum weiblichen Geschlecht kein zweites »normales« Allel besitzt.

Wie sieht nun das Risiko für Kinder aus der obigen Verbindung aus? 4 Alle Söhne werden gesund sein, denn sie erhalten immer das normale Gen mit dem X-Chromosom der Mutter. 4 Alle Töchter sind jedoch heterozygot (XX), denn sie erhalten das krankhafte Gen über das XChromosom des Vaters. 4 Die Töchter werden dieses Chromosom mit dem krankhaften Gen auf die Hälfte ihrer Söhne vererben, die dann wieder hemizygot krank sein werden. 2. Mutter heterozygot (XX), phänotypisch gesund; Vater gesund (XY). 4 Hier wird die Mutter als Konduktorin (Überträgerin) das krankhafte Gen auf die Hälfte der Söhne vererben (XY), die dann hemizygot das Gen besitzen und erkranken.

. Abb. 9.14. X-chromosomal-rezessiver Erbgang (Kreuzungstyp 2 im Text)

4 Alle Töchter aus dieser Verbindung werden phänotypisch gesund sein. Die Hälfte davon werden aber wieder Konduktorinnen sein (. Abb. 9.14). 3. Hat eine homozygot kranke Frau Kinder mit einem gesunden Mann, so sind alle Söhne krank, alle Töchter gesunde Konduktorinnen. Der X-chromosomal-rezessive Erbgang ist also dadurch gekennzeichnet, dass – besonders bei seltenen Leiden – fast nur Männer als Kranke erscheinen. Eine Übertragung des Leidens erfolgt nur über die gesunden Töchter kranker Väter und (im Fall einer heterozygoten Mutter) über die Hälfte der gesunden Schwestern kranker Männer. Alle Töchter kranker Väter sind Konduktorinnen. Aus dieser Ableitung ergeben sich für den Arzt Richtlinien für die theoretische Erbprognose und für die Familienberatung (. Übersicht 9.6).

Hämophilie Betrachten wir als Beispiel ein bekanntes X-chromosomal-rezessives Erbleiden, die Hämophilie. Bekannt ist diese Erkrankung vorwiegend durch ihr Auftreten in europäischen Herrscherhäusern ausgehend von der Königin Viktoria von England

Kapitel 9 · Formale Genetik

. Übersicht 9.6. Hauptkriterien X-chromosomal-rezessiver Vererbung Übertragung erfolgt über alle gesunden Töchter kranker Väter und über die Hälfte der gesunden Schwestern kranker Männer (Konduktorinnen) Besonders bei seltenen Leiden erkranken fast nur Männer Söhne von Merkmalträgern können das kranke Gen nicht von ihrem Vater erben Bei Konduktorinnen erkranken 50% der Söhne, 50% der Töchter sind Konduktorinnen Alle Krankheiten zusammen haben eine Gesamthäufigkeit von 0,8 auf 1000 männliche lebende Neugeborene

9

(. Abb. 9.15). Bei der Hämophilie können im Wesentlichen zwei Blutgerinnungsfaktoren mutiert sein. Ist der Faktor VIII, ein antihämophiles Globulin, betroffen, so handelt es sich um die Hämophilie A (80% aller Fälle), ist der Faktor IX, (Christmas-Faktor) mutiert, so haben wir es mit der selteneren Hämophilie B (15% aller Fälle) zu tun. Die Gene sind auf den langen Arm des X-Chromosoms lokalisiert. Die Gerinnungsstörung führt zu bedrohlichen Blutungen bei Verletzungen, aber auch bei kleinen Eingriffen. Häufig bluten die Patienten äußerlich nicht sichtbar, vorwiegend in die Gelenke. Als Therapie wird der fehlende Gerinnungsfaktor zugeführt. Er wurde früher auf sehr teure Weise aus Humanserum gewonnen. Als eine schreckliche Begleiterscheinung der vergangenen Jahre trat die Infektion vieler Betroffener mit AIDS auf. Heute wird der Blutgerinnungsfaktor gentechnisch hergestellt. Klinik Erkrankungsrisiko bei Hämophilie Der Arzt wird von der Tochter eines Bluters gefragt, wie hoch die Wahrscheinlichkeit ist, dass ihr Kind ein Bluter wird. Das Risiko der Erkrankung beträgt 25% für jedes Kind. Die Wahrscheinlichkeit, dass das Kind ein Sohn wird, beträgt 50%. Wenn es ein Sohn ist, so hat dieser wieder ein Risiko von 50%, das krankhafte Gen von seiner Mutter zu erhalten, da sie ja heterozygot für das Gen ist. Umgekehrt sind die Söhne

6

. Abb. 9.15. Stammbaum der Hämophilie A in den europäischen Königshäusern. Königin Viktoria war heterozygot. Sie vererbte das mutierte Gen auf einen hämophiliekranken Sohn und 3 Töchter. (Nach Vogel u. Motulsky 1986)

168

169 9.6 · X-chromosomaler Erbgang

von Blutern gesund, da der Vater nur sein YChromosom in die Zygote einbringt, jedoch nie das X-Chromosom mit dem krankhaften Gen. Folglich können die Söhne das betreffende Gen auch nicht tragen und daher auch nicht an ihre Nachkommen weitervererben. Ein solcher Sohn könnte nur Bluter sein, wenn zufällig die Mutter heterozygote Konduktorin für das krankhafte Gen wäre. Dieser Fall ist aber wegen der Seltenheit des Allels zu vernachlässigen, wenn nicht Vater und Mutter etwa Blutsverwandte sind, z. B. Vetter und Cousine ersten Grades. Spielen wir das Beispiel weiter durch und nehmen an, die Schwester eines Bluters möchte heiraten und fragt nach dem Erkrankungsrisiko für mögliche Kinder. Wir können nun ableiten, dass der erkrankte Bruder das Gen von seiner Mutter geerbt hat. Sie ist also offenbar heterozygot und überträgt das betreffende Gen durchschnittlich auf die Hälfte ihrer Töchter. Die Beratung suchende Schwester des Bluters ist mit einer Wahrscheinlichkeit von 50% selbst heterozygote Konduktorin. Wenn sie es ist, werden 25% ihrer Kinder (50% ihrer Söhne) erkranken. Jedes mögliche Kind hat also insgesamt ein Erkrankungsrisiko von 1:8, jeder Sohn von 1:4.

auf. Mit zunehmendem Alter treten erhebliche Schwierigkeiten beim Treppensteigen, Pseudohypertrophie der Wadenmuskulatur, Watschelgang und Schwäche der Beckengürtelmuskulatur auf. Üblich sind die Schwierigkeiten beim Aufstehen vom Boden: Die Patienten gehen zunächst in den Kniestand und richten sich dann auf, indem sie sich mit den Händen auf den Oberschenkeln abstützen (Gower-Zeichen). Im weiteren Verlauf greift die Muskelschwäche auf Rumpf und Schultergürtel über, es entwickeln sich Muskelatrophie und Kontrakturen. Hyperlordose der Lendenwirbelsäule und abstehende Schulterblätter sind charakteristisch. Zwischen dem 8. und 12. Lebensjahr werden die Patienten gehunfähig. Die Lebenserwartung liegt meist unter 20 Jahren. Im Finalstadium leiden die Patienten an muskulärer Ateminsuffizienz mit rezidivierenden Infekten der Atmungsorgane (. Abb. 9.16). Das Gen für die Duchenne-Muskeldystrophie liegt auf dem kurzen Arm des X-Chromosoms

In manchen Fällen, so bei der Bluterkrankheit, ist es weiterhin möglich, durch molekularbiologische Laboruntersuchungen einen sogenannten Heterozygotentest durchzuführen und damit nähere Informationen zu gewinnen, ob ein Proband möglicherweise heterozygot für das betreffende Leiden ist. Ähnliches gilt auch für andere X-chromosomal-rezessive Erbleiden wie z. B. die Rot-Grün-Blindheit oder die Muskeldystrophie Typ Duchenne.

Muskeldystrophie Typ Duchenne Diese Erkrankung ist die häufigste Form der Muskeldystrophie. Die Häufigkeit beträgt etwa 1:3.000 Jungen. Obwohl durch Laboruntersuchung die Krankheit nachweisbar ist; werden die Patienten gesund geboren und entwickeln sich in der Regel zunächst unauffällig. Als kleine Kinder fallen sie durch Ungeschicklichkeit und durch Fallneigung beim Laufenlernen

9

. Abb. 9.16. Muskeldystrophie Typ Duchenne

170

9

Kapitel 9 · Formale Genetik

(Xp21). Die Lokalisierung gelang zunächst durch Kopplungsanalyse, danach durch Beobachtung von Frauen, die an Duchenne-Muskeldystrophie erkrankt waren und eine balancierte X-autosomale Translokation zeigten. Die Bruchstelle auf dem X-Chromosom lag immer in der Xp21-Region. Bei einem Jungen, der neben der DuchenneMuskeldystrophie an einigen weiteren X-gekoppelten Krankheiten litt, wurde eine ausgedehnte Deletion im Bereich Xp21 beobachtet. Mit Hilfe der Subtraktionsklonierung gelang es, Klone zu isolieren, die Sequenzen aus dem deletierten Bereich enthielten. Durch molekulargenetische Analysen konnte das Gen für die Muskeldystrophie Typ Duchenne identifiziert werden. Es hat eine Größe von über 2.400 kb und enthält 79 Exons. Das muskelspezifische, codierte Protein ist das Dystrophin mit einer Größe von 427 kb. Das Dystrophin ist am kontraktilen Apparat der gestreiften und kardialen Muskeln beteiligt. Bei Patienten mit Duchenne-Muskeldystrophie fehlt Dystrophin vollständig, während es beim Typ Becker vermindert bzw. abnormal produziert wird.

. Abb. 9.17a,b. X-chromosomaldominanter Erbgang

a

9.6.2 Der X-chromosomal-dominante

Erbgang Wie ist nun der Vererbungsmodus bei einem Xchromosomal-dominanten Leiden? Er unterscheidet sich vom X-chromosomal-rezessiven Erbgang dadurch, dass nicht nur die Hemizygoten, sondern auch die (weiblichen) heterozygoten Träger Krankheitserscheinungen aufweisen. Unter den Merkmalträgern findet man sowohl Männer als auch Frauen (. Abb. 9.17). Die Söhne befallener Männer sind jedoch merkmalfrei, da sie ihr einziges X-Chromosom von der gesunden Mutter geerbt haben. Dafür sind alle Töchter von männlichen Merkmalträgern ebenfalls Merkmalträger, die Hälfte ihrer Schwestern ebenso. Unter den Kindern weiblicher Kranker findet sich analog zum autosomal-dominanten Erbgang eine 1:1-Aufspaltung ohne Rücksicht auf das Geschlecht. Männliche Merkmalträger haben also ihre Krankheit immer von der Mutter geerbt. Ihre Geschwister zeigen eine 1:1-Aufspaltung ohne Rücksicht auf das Geschlecht. Weibliche Merkmalträger können die Krankheit sowohl vom Vater als auch von der Mutter geerbt haben. b

171 9.7 · Genomische Prägung

Wenn z. B. dem Arzt wenig Material aus dem Stammbaum einer Familie zur Verfügung steht, kann es oft schwierig sein, einen X-chromosomaldominanten Erbgang von einem autosomal-dominanten abzugrenzen.

9.7

Genomische Prägung

In den letzten Jahren sind Genetiker und Embryologen auf einige phänotypische Merkmale gestoßen, die nicht der von Mendel beobachteten Gesetzmäßigkeit folgen. Die Ursache dafür ist das Phänomen der genomischen Prägung (genomic imprinting): Während sich die elterlichen Keimzellen entwickeln, werden Teile der DNA durch Methylierungsunterschiede geprägt. Auf diese Weise wird das Ablesen des genetischen Codes und somit die Expression der Erbanlagen reguliert. Entscheidend für die Ausprägung eines bestimmten Allels ist in diesem Fall also nicht, ob es vorhanden ist, sondern ob es exprimiert wird. Die Einzelheiten sind jedoch kompliziert und bis heute noch nicht vollständig verstanden. Prägungen können während der folgenden Generationen ausgelöscht oder wiederhergestellt werden. Der geprägte Lokus wird nach den Mendelschen Regeln weitervererbt, jedoch ist die Expression in der nächsten Generation wiederum von der elterlichen Herkunft abhängig. Die Prägung bewirkt meist den Verlust oder die Verminderung der Aktivität des betroffenen Gens und führt zu einer unterschiedlichen Aktivität der beiden Allele im Embryo. Bei geprägten Genen wird dann nur eines der beiden Allele der homologen Chromosomen exprimiert. Bei einigen Genen ist die Kombination eines aktiven und eines inaktiven Allels notwendig, um einen normalen Phänotyp zu erreichen. Wahrscheinlich ist

9

der Phänotyp von der Gendosis abhängig. Dabei ist noch nicht völlig geklärt, warum während der Evolution ein Mechanismus wie das genomic imprinting bestehen blieb oder überhaupt erst entstanden ist. Inzwischen ist jedoch nachgewiesen, dass dieser Mechanismus für die embryonale Entwicklung bei Säugetieren von Bedeutung ist. In der . Übersicht 9.7 sind einige Beobachtungen, bei denen die genomische Prägung eine Rolle spielt, zusammengefasst.

9.7.1 Auswirkungen Wir wissen heute, dass die genomische Prägung bei der Manifestation einer Reihe von Krankheiten eine Rolle spielt. So tritt eine schwere und frühe Manifestation der myotonen Dystrophie auf, wenn das mutierte Gen mütterlicher Herkunft ist. Aber auch die klinische Auswirkung von Deletionen einzelner Chromosomenabschnitte ist von der elterlichen Herkunft abhängig. Hier ist, wie bei der uniparentalen Disomie (s. u.), das gestörte Imprinting die Ursache der unterschiedlichen Manifestation. Auch andere Mechanismen führen in der menschlichen Zelle zu einer monoallelischen Expression von biallelischen Genen. Uniparentale Disomie bedeutet, dass homologe Chromosomenpaare aus einem Elternteil stammen und das oder die entsprechenden Chromosomen des anderen Elternteils fehlen. Wenn dasselbe elterliche Chromosom zweifach vorliegt, spricht man von einer Isodisomie, wenn beide Chromsomen desselben Elternteils vorhanden sind, wird dies als Heterodisomie bezeichnet. Je nachdem, ob eine uniparentale väterliche oder uniparentale mütterliche Disomie vorliegt, kann dies bei geprägten Genen zu einem vollständigen Ausfall der Expression oder zu einer Überexpression führen.

. Übersicht 9.7. Beobachtungen, die für die Existenz einer elterlichen Prägung (genomic imprinting) sprechen Beobachtung der Ergebnisse bei Transplantation des Pronukleus der Maus Beobachtung der Phänotypen von Triploiden beim Menschen Unterschiedliche Auswirkung von Chromosomenanomalien auf den Phänotyp bei Mäusen und Menschen in Abhängigkeit von der elterlichen Herkunft Expression des Transgens in transgenen Mäusen in Abhängigkeit von der elterlichen Herkunft Expression der Mutation einiger Krankheitsbilder in Abhängigkeit von der elterlichen Herkunft

172

9

Kapitel 9 · Formale Genetik

Mit einer Inzidenz von 0,5 bis 2,5 pro 1.000 Schwangerschaften findet man beim Menschen eine blasenförmige Mole (Mola hydantiformis), eine entartete Frucht, die aus Zellen mit einem scheinbar normalen 46,XX-Karyotyp entstanden ist. Jedoch entwickelt sich die Zygote nicht zum normalen Embryo und die Chorionzotten besitzen kein fetales Gefäßsystem und schwellen an. Durch bösartige Veränderungen im trophoblastischen Epithel kann es dann zu einem Chorionkarzinom kommen. Bei einer Blasenmole sind sämtliche Loki homozygot und alle 46 Chromosomen stammen vom Vater. Wahrscheinlich entstehen solche Molen durch Degeneration des weiblichen Pronukleus des befruchteten Eis, weshalb die DNA des männlichen Pronukleus verdoppelt wird, damit eine diploide Zygote entsteht. Teratome des Eierstocks haben dagegen zwei mütterliche Genome und den Karyotyp 46,XX. Sie bestehen aus differenziertem aber unorganisiertem Embryonalgewebe, die extraembryonalen Membranen einer normalen Empfängnis fehlen.

9.8

Mitochondriale Vererbung

Die Mitochondrien (7 Kap. 7.12) werden ausschließlich durch die Eizelle der Mutter vererbt, das ohnehin sehr geringe Zytoplasma der Samenzelle trägt zur mitochondrialen Vererbung nicht bei. Trägt in einer Zygote ein Teil der Mitochondrien eine be. Abb. 9.18. Heteroplasmie bei mitochondrialer Vererbung

stimmte Mutation, dann kann, entsprechend dem zufälligen Verteilungsmechanismus, die eine Tochterzelle mehr von den mutierten Mitochondrien enthalten, die andere Tochterzelle dafür mehr von den normalen. Mit weiteren Teilungen wäre dann zu erwarten, dass sich die Verschiebung zugunsten der einen wie auch der anderen Sorte unter den Tochterzellen fortsetzt (. Abb. 9.18). In Geweben, die vorwiegend die mutierte mitochondriale DNA enthalten, kann es dann zu entsprechenden Auswirkungen kommen. Generell kann man feststellen, dass jede somatische Zelle aufgrund von verschiedenen Mutationen mehrere unterschiedliche mtDNA enthält. Die phänotypische Ausprägung ist abhängig vom Anteil der mutanten mtDNA innerhalb einer Zelle. Ein pathologisches Merkmal wird ausgeprägt, wenn der Anteil der mutanten DNA einen bestimmten kritischen Schwellenwert erreicht hat.

Genprodukte der mtDNA Man weiß heute, dass in mtDNA codierte Proteine essenzielle Komponenten der Atmungskette sind. Bei der oxidativen Phosphorylierung der Atmungskette sind fünf verschiedene Enzymkomplexe involviert. Komplex I–IV sind an NADH- und Succinatoxidation und Komplex V an der ATP-Synthese beteiligt. Die Synthese dieser Komplexe steht unter der gemeinsamen Kontrolle der nukleären und mitochondrialen DNA. Von über 90 Komponenten, die

173 9.9 · Multifaktorielle Vererbung

an der oxidativen Phosphorylierung der Atmungskette beteiligt sind, sind nur 13 durch die mtDNA codiert und werden auf mitochondrialen Ribosomen synthetisiert. Die restlichen 24 mitochondrialen Gene codieren 22 Arten von tRNA sowie 2 rRNA-Moleküle. Sie sind Bestandteil des mitochondrialen Syntheseapparates. mtDNA zeigt entsprechend der hohen Mutationsrate eine große interindividuelle Variabilität, die durch Restriktionsfragmentlängen-Polymorphismus (RFLP)-Untersuchungen bestätigt wurde (7 Kap. 12.3). Da aber die mitochondriale Proteinsynthese auch in nukleärer DNA codiert ist, kann bei mitochondrialen Erkrankungen auch die nukleäre DNA mitbeteiligt sein. ! Aufgrund der doppelten genetischen Kontrolle des mitochondrialen Proteins und der Kompliziertheit der posttranslationalen Ereignisse nimmt man verschiedene genetische Störungen als Ursache für mitochondriale Erkrankungen an: 4 Veränderungen der Transkription oder Translation von mtDNA-codierten Polypeptiden, 4 Veränderungen der Transkription oder Translation der nukleär DNA-codierten Polypeptide, 4 Veränderungen des Posttranslationsprozesses der nukleär DNA-codierten Proteine. Darüber hinaus können indirekte Mechanismen wie z. B. Veränderungen einer prosthetischen Gruppe oder Veränderungen der membrangebundenen Enzyme zu mitochondrialen Erkrankungen führen.

Auf die Mitochondriopathien soll an dieser Stelle jedoch nicht näher eingegangen werden. Sie wurden bereits in 7 Kap. 2.9 angesprochen.

9.9

Multifaktorielle Vererbung

In den vorangegangenen Kapiteln war das Augenmerk auf Merkmale gerichtet, von denen in der Bevölkerung in der Regel zwei, manchmal drei Phänotypen bei ihren Trägern existieren: 4 Träger eines bestimmten Merkmals, meist einer bestimmten genetischen Erkrankung,

9

4 Träger ohne dieses Merkmal, also ohne diese Erkrankung, 4 Personen, bei denen dieses Merkmal schwach ausgeprägt ist. Dabei folgten diese Merkmale einem der bekannten Mendelschen Erbgänge. Wir wollen uns nun Vorgängen zuwenden, die in der Population keine scharfe Zwei- oder Dreiteilung zulassen, sondern eine kontinuierliche Variabilität zeigen. Eine solche Variabilität beruht meist auf dem Zusammenspiel vieler Gene, von denen das einzelne keine so starke Wirkung besitzt, dass die Träger von den Individuen mit einem anderen Allel unterschieden werden könnten.

9.9.1 Wirkung von Genen und Umwelt Das Zusammenspiel vieler Gene wird als polygene Vererbung bezeichnet. Allerdings unterliegt auch bei der polygenen Vererbung jedes einzelne Gen den Grundgesetzen der Mendelschen Vererbung, kann also dominant oder rezessiv, autosomal oder X-gekoppelt sein. Jedoch zeigt sich die Wirkung dieser Gene nicht als Einzelgenunterschied, sondern als Zusammenspiel von Genwirkungen einer meist größeren Zahl von Einzelgenen. Die Variabilität der meisten Merkmale hängt allerdings nicht nur und ausschließlich vom genetischen Hintergrund ab, sondern von einer Gen-Umwelt-Interaktion. Merkmale, die durch eine Interaktion von Genen und Umwelt bestimmt sind, werden als multifaktorielle Merkmale bezeichnet. Bei der multifaktoriellen Vererbung variiert der relative Anteil von genetischen Faktoren und Umweltfaktoren für verschiedene Merkmale beträchtlich. Häufig werden die Begriffe polygen und multifaktoriell synonym verwendet, obwohl sie es nicht sind. Polygen heißt, dass eine Anzahl von Genen involviert ist, berücksichtigt aber keinen Umwelteinfluss. Es ist also nur ein Teil eines umfassenderen multifaktoriellen Schemas, das die genetischen Prädispositionen von Individuen betrachtet. Die Prädisposition wiederum bildet den Rahmen für ein Gesamtbild, das durch die Umwelt geprägt wird. Die genetische Prädisposition bei polygener Vererbung könnte man mit einer Rangierharfe der Bahn ver-

174

Kapitel 9 · Formale Genetik

. Übersicht 9.8. Hauptkriterien multifaktorieller Vererbung Ein Merkmal zeigt eine kontinuierliche Variabilität in der Bevölkerung Das Verteilungsmuster entspricht einer Gauß-Kurve Die Variabilität beruht auf einer mehr oder minder großen Zahl von Genen Die Ausprägung eines Merkmals ist durch die Interaktion von Erbe und Umwelt bestimmt Verwandte ersten Grades von Personen mit extremer Ausprägungsform eines Merkmals zeigen das Phänomen der Regression zur Mitte Bei genetischen Erkrankungen entspricht die familiäre Häufung nicht den Erwartungen wie bei rezessiver oder dominanter Vererbung, sondern bleibt meist weit dahinter zurück Ein Erkrankungsrisiko muss aus empirischen Belastungsziffern abgeschätzt werden und berechnet sich aus der Quadratwurzel der Häufigkeit in der Bevölkerung Bei der Entstehung von Krankheiten muss man einen Schwellenwert annehmen

9

gleichen. Eine Richtung und verschiedene Stellmöglichkeiten werden von den Weichen genetisch vorgegeben. Welches Gleis allerdings befahren wird, hängt von den besonderen Verhältnissen ab, die ein Individuum in seiner Umwelt vorfindet (. Übersicht 9.8).

9.9.2 Multifaktoriell vererbte

Merkmale Die meisten menschlichen Merkmale scheinen multifaktorieller Natur zu sein. Jedes Gen partizipiert je nach Umwelteinfluss mit einem kleinen additiven Teil an der Gesamtexpression eines gegebenen Merkmals. Typische multifaktorielle Merkmale sind: 4 Körperhöhe, 4 Gewicht, 4 Intelligenz, 4 Hautfarbe, 4 Fruchtbarkeit, 4 Blutdruck, 4 Zahl der Hautleisten. Aber auch viele genetische Erkrankungen, die wegen ihrer Häufigkeit für den Arzt von Bedeutung sind, gehören dazu. Beispiele sind: 4 Diabetes mellitus, 4 Hypertonie, 4 verschiedene Formen des Schwachsinns,

4 Schizophrenie und andere geistige Erkrankungen, 4 psychische Labilitäten wie Alkoholismus und Drogenabhängigkeit, 4 Hüftluxation. Durch das Zusammenwirken von Polygenie und Umweltfaktoren variieren die Phänotypen in der Population kontinuierlich innerhalb einer gewissen Bandbreite. Häufig wird bei multifaktoriellen Leiden die Bevorzugung eines Geschlechts beobachtet. Klinik Kongenitale Hüftluxation Die angeborene Hüftluxation wird bei Mädchen etwa 6-mal häufiger als bei Jungen beobachtet. Hier liegen die genetischen Faktoren in der etwas flacheren Ausbildung der Gelenkpfanne und in einer Schlaffheit der Gelenkkapsel. In die Berechnung empirischer Belastungsziffern sollte die Abgrenzung schwererer und leichterer Formen sowie die Beurteilung der flachen Pfanne einfließen. Danach besteht in der europäischen Bevölkerung eine Häufigkeit von 1:200. Differenzialdiagnostisch muss auch an andere Krankheiten mit Bindegewebsschwäche, die oft schwach ausgeprägt sein können, gedacht werden.

9

175 9.9 · Multifaktorielle Vererbung

. Übersicht 9.9. Wiederholungsrisiko für Hüftluxation

Geschlecht der Betroffenen

Brüder

Schwestern

Söhne

Töchter

Neffen

Nichten

M

1-2%

13,0%

1%

∼

∼

7,6%

W

2,0%

13,4%

5,9%

17,1%

∼

∼

9.9.3 Erbprognose multifaktorieller

Erkrankungen Unterschiede in der Beurteilung und Erfassung sowie begrenzte Fallzahlen spielen für die empirische Erbprognose, auf die man in der genetischen Beratung multifaktorieller Leiden angewiesen ist, sicherlich eine gewisse Rolle. Andererseits gibt es für viele dieser Leiden ausreichend große, auslesefrei gewonnene Beobachtungsreihen von Angehörigen von Patienten. Natürlich können solche Serien nichtgenetische familiäre Faktoren häufig nicht exakt ausschließen, sodass in die genetische Beratung das gesamte Wiederholungsrisiko und nicht nur der genetische Anteil mit eingeht (. Übersicht 9.9). Dies ist allerdings

auch der Sinn einer vernünftigen Beratung. Zudem kann das Risiko von Familie zu Familie wechseln. So ist es möglich, dass in solchen Serien Familien mit hohem Risiko und solche mit relativ geringem Risiko sozusagen gemittelt werden. Dieses Argument, dass die Grundlage der Berechnung von gleichem Risiko in allen Familien ausgeht, lässt sich nicht bestreiten. Beseitigt werden kann es nur, wenn durch die Untersuchung großer Serien für all diese Leiden entsprechende Untergruppen geschaffen sind und wir mehr Kenntnis über die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen gewonnen haben, die in unterschiedlichen Familien gerade bei polygen bedingten Leiden verschieden sein werden.

In Kürze

4 In der formalen Genetik muss man mit der Bedeutung der Begriffe Genotyp, Phänotyp, Allel, Lokus, Homozygotie, Heterozygotie, Dominanz, Rezessivität, Penetranz und Expressivität vertraut sein. 4 Monogene Erkrankungen werden entsprechend den Mendelschen Gesetzen vererbt (Ausnahmen: Gene, die der genomischen Prägung unterliegen und mitochondriale Gene). 4 Der Erbgang von Erkrankungen, bei denen ein einziges Gen betroffen ist, kann autosomaldominant, autosomal-rezessiv, X-chromosomal-rezessiv oder X-chromosomal-dominant sein. 4 Abhängig vom Erbgang ist das Erkrankungsrisiko für direkte Nachkommen unterschiedlich. 4 Als Faustregel gilt, dass bei autosomal-dominanter Vererbung morphologische Fehlbildungen oder Anomalien und Störungen der Gewebsstruktur häufig sind. Dominant vererbte Erkrankungen sind meist äußerlich sichtbar. Bei autosomal-rezessiver Vererbung sind Stoffwechselstörungen, speziell Enzymdefekte häufig.

4 Bei autosomal-dominanter und autosomal-rezessiver Vererbung erkranken beide Geschlechter gleich häufig. Bei X-chromosomal-rezessiver Vererbung sind, besonders bei seltenen Leiden, fast nur Männer betroffen. 4 Bei Genen, die der genomischen Prägung unterliegen, ist die Expression der Erbanlage und damit das Erkrankungsrisiko abhängig von der elterlichen Herkunft. 4 Mitochondriale Erkrankungen folgen ausschließlich einer mütterlichen Vererbung. Es können sowohl Männer als auch Frauen betroffen sein. Betroffene Personen können eine Heterogenität aufweisen, welche auf Heteroplasmie, nämlich dem Vorhandensein von mutierter und normaler Mitochondrien-DNA in derselben Zelle beruht. 4 Der multifaktoriellen Vererbung liegt polygene Vererbung und Gen-Umwelt-Interaktion zugrunde. Die meisten menschlichen Merkmale, aber auch viele genetischen Erkrankungen, sind multifaktorieller Natur. 4 Bei multifaktorieller Vererbung muß ein Erkrankungsrisiko aus empirischen Belastungsziffern abgeschätzt werden.

10

Gonosomen

> > Einleitung Gonosomen spielen bei der Geschlechtsbestimmung und -differenzierung eine große Rolle, sind aber nicht allein für die Geschlechtsdeterminierung verantwortlich. Dieses Kapitel zeigt die unterschiedlichen Bedeutungen dieser speziellen Chromosomen und die tragenden Faktoren der Geschlechtsbestimmung und -differenzierung.

10.1

10

Testikuläre Differenzierung

! Die Geschlechtsentwicklung wird sowohl von gonosomalen als auch von autosomalen Genen determiniert. Die gonosomalen Chromosomen X und Y sowie die Autosomen enthalten eine Reihe von Genen, die für einen normalen Ablauf der Geschlechtsentwicklung und -differenzierung verantwortlich sind.

10.1.1

over statt. Direkt neben PAR1 in der Bande Yp22 liegt SRY (sex determing region of Y). Dieses Gen determiniert das männliche Geschlecht und kontrolliert die Synthese des testis determining factor (TDF), der für die Entwicklung des männlichen Geschlechts notwendig ist. SRY hat zwei offene Leseraster, die für 99 und 273 Aminosäuren codieren. Die Schlüsselsequenz involviert eine High mobility group box (HMG) als zentralen konservierten Abschnitt. HMGProteine sind Nicht-Histone, die jedoch ähnlich wie Histone ohne Sequenzspezifität SRY an die DNA binden. Mit molekularbiologischen Methoden ließen sich weitere auf dem Y-Chromosom codierte Faktoren nachweisen, die zur testikulären Differenzierung beitragen.

Lokalisation der geschlechtsdifferenzierenden Gene

Das menschliche Y-Chromosom hat etwa 60 Mb DNA und nur sehr wenige funktionstüchtige Gene. Einige von diesen sind auch auf dem X-Chromosom lokalisiert. Die wichtigsten befinden sich in zwei homologen Bereichen und werden als pseudoautosomale Regionen bezeichnet (. Abb. 10.1). Neben diesen Regionen gibt es noch weitere Homologien zum X-Chromosom, jedoch in sehr unterschiedlichen Bereichen beider Chromosomen. Die pseudoautosomalen Regionen sind entscheidend für die Aneinanderlagerung der Chromosomen in der männlichen Meiose. Die pseudoautosomale Hauptregion (PAR1) liegt am äußeren Ende des kurzen Arms und hat eine Länge von 2,6 Mb. Die pseudoautosomale Nebenregion (PAR2) liegt am Ende des langen Arms und ist 320 kb lang. Zwischen den pseudoautosomalen Hauptregionen von X- und Y-Chromosomen findet in der männlichen Meiose das obligate Crossing-

. Abb. 10.1. Lage der pseudoautosomalen Regionen auf Xund Y-Chromosom, des männlichen Determinanzgenes SRY sowie der Eu- und Heterochromatinanteile des Y-Chromosoms

177 10.2 · X-Inaktivierung

10.1.2

Störungen der testikulären Differenzierung

Neben Genen auf dem Y-Chromosom sind aber sowohl Loki auf dem X-Chromosom als auch auf Autosomen zur testikulären Differenzierung notwendig. So enthält Xp eine Region, welche unter bestimmten Umständen die testikuläre Entwicklung trotz der Anwesenheit von SRY unterdrücken kann. Das Gen, welches für dieses Phänomen verantwortlich ist, wird als Dose dependent sex reversal-Gen (DDS) bezeichnet. Bei einer Gonadenagenesie wird SRY nicht aktiviert. Damit kommt es zu einer Diskrepanz zwischen chromosomalem und somatischem Geschlecht. Dies bedeutet einen weiblichen Phänotyp bei vorhandenen XY-Chromosomen. Bei einer Translokation des SRY-Faktors auf ein X-Chromosom kann sich ein männlicher Phänotyp mit einem XX-Chromosomensatz entwickeln, wenn das SRY aktiv ist. Inzwischen weiß man, dass Mutationen auf XChromosomen und Autosomen zu Störungen der testikulären Differenzierung führen. Beispielsweise ist das verantwortliche Gen für die kampomele Dysplasie XY, das SOX-9-Gen, auf 17q24 lokalisiert. SOX-9 ist ähnlich wie SRY ein DNA-Protein mit HMG-Box und ist beteiligt an dieser Erkrankung. Andere autosomale Kandidatengene für die testikuläre Funktion werden auf dem kurzen Arm des Chromosoms 9 und dem langen Arm des Chromosoms 10 vermutet. Auch die Assoziation der Gonadendysgenesie mit einer Reihe von Syndromen weist darauf hin, dass autosomale Gene die testikuläre Differenzierung beeinflussen.

10.2

X-Inaktivierung

Vor 100 Jahren wurde das X-Chromosom erstmals bei Insekten beschrieben. Nachdem man verstanden hatte, dass 2 X-Chromosomen die Ausprägung des weiblichen und ein X- und ein Y-Chromosom die des männlichen Geschlechts bedingen, war man mit der Frage der genetischen Inbalance konfrontiert. Weibliche Individuen haben doppelt so viele Xchromosomal-gekoppelte Gene wie männliche. Wie wird dieses Ungleichgewicht ausgeglichen? Es muss ein Dosiskompensationsmechanismus existieren.

10.2.1

10

Geschlechtschromatin

Im Jahr 1949 entdeckten Barr und Bertram das Sexchromatin (auch Barr-Body genannt) in den Zellkernen weiblicher Katzen. In Zellen männlicher Tiere konnten sie es jedoch nicht nachweisen. Nach verschiedenen Spekulationen über dieses Körperchen, das in Somazellen randständig kondensiert und dunkel anfärbbar aufgefunden wurde, wurde bewiesen, dass es sich um ein einzelnes X-Chromosom handelt. Lyon gelang schließlich der Schritt von der morphologischen Beobachtung zur funktionellen Erklärung der Dosiskompensation. Die Lyon-Hypothese besagt dementsprechend (. Übersicht 10.1): 4 In weiblichen Zellen ist eines der beiden XChromosomen inaktiviert. 4 Das inaktivierte X-Chromosom ist entweder väterlicher oder mütterlicher Herkunft. 4 In verschiedenen Zellen des gleichen Individuums kann entweder das eine oder das andere inaktiv sein. 4 Die Inaktivierung erfolgt in der frühen Embryogenese. 4 In allen Tochterzellen wird immer das gleiche X-Chromosom inaktiviert wie in der Zelle, von der diese abstammen.

. Übersicht 10.1. Lyon-Hypothese und dazu passende molekularbiologische Befunde In jeder weiblichen Zelle wird eines der beiden X-Chromosomen inaktiviert. Dabei entgeht die pseudoautosomale Hauptregion (PAR1) der Inaktivierung Die Inaktivierung geht vom XIST-Gen aus, wobei das Allel des inaktivierten X-Chromosoms exprimiert wird Die Inaktivierung findet um den 12.-16. Tag der Embryonalentwicklung statt Die Wahl des inaktivierten X-Chromosoms ist zufällig, wird aber in allen Folgezellen dieser Stammzelle beibehalten Die chromosomale Konstitution im weiblichen Organismus kann als genetisches Mosaik betrachtet werden, da eine Heterogenie bei Allelen des X-Chromosoms besteht Inaktiviertes X-Chromosom kann als Sexchromatin dargestellt werden Inaktiviertes X-Chromosom wird in der Mitose spät repliziert

178

Kapitel 10 · Gonosomen

a

10

b

c

d . Abb. 10.2a–d. a. Barr-Bodies (X-Chromatin, Sexchromatin), b. Drumsticks (analoge Chromatinverdichtung in segmentkernigen Leukozyten weiblicher Personen) und c. Y-Chromatin (F-Body, entspricht dem heterochromatischen Bereich des

Y-Chromosoms) bei normalem männlichen und weiblichen Chromosomensatz und bei d. Patienten und Patientinnen mit Fehlverteilungen gonosomaler Chromosomen

In Präparaten kann man die Barr-Bodies bzw. Drumsticks, wie man sie in Leukozyten bezeichnet, in etwa 40% der Zellen nachweisen (. Abb. 10.2).

! Die X-Inaktivierung beginnt im menschlichen Trophoblasten (Außenwand der Keimblase) am 12. Tag der Entwicklung, im Embryo am 16. Tag. Bei der Entwicklung der Säugetiere gibt es dabei zwei Formen der Inaktivierung: 4 Im frühen Blastozystenstadium wird das väterliche X-Chromosom nicht zufällig inaktiviert. 4 Eine zufällige Inaktivierung scheint in der späten Blastozyste zu erfolgen. Dabei wird in der Tochterzelle immer das gleiche X-Chromosom inaktiviert wie in der Mutterzelle.

10.2.2

Steuerung der X-Inaktivierung

Die Inaktivierung des X-Chromosoms wird vom Xinaktivierungsspezifischen Gen (XIST-Gen) gesteuert. Dabei sind die Kontrollmechanismen komplex. Das Gen ist auf dem inaktiven Chromosom aktiviert und auf dem nicht inaktivierten inaktiviert.

179 10.3 · Geschlechtsdifferenzierung

In der Oogenese wird vor Beginn der Meiose das inaktive X-Chromosom wieder reaktiviert. Im Gegensatz hierzu steht die Spermatogenese: Am Beginn der Meiose, mit einsetzender Pubertät, wird das einzige aktive X-Chromosom möglicherweise inaktiviert. Allerdings sind die Befunde noch nicht eindeutig. So lässt sich nachweisen, dass nicht das ganze X-Chromosom inaktiviert wird. Wie man an dem Xg-Blutgruppensystem, das X-gekoppelt vererbt wird, und an einem eng damit gekoppelten Genlokus für Steroidsulfatase nachweisen kann, entgeht der distale Teil des kurzen Arms des menschlichen X-Chromosoms der Inaktivierung.

Andererseits werden auch Fälle bei Translokationsträgern beobachtet, bei denen das normale X-Chromosom inaktiviert wird. Hier kann man unterscheiden in 4 balancierte reziproke Translokationen mit 46 Chromosomen, die praktisch alle vom X-autosomalen Typ sind, 4 Translokationen mit 46 Chromosomen und einer unbalancierten X-autosomalen oder X/XTranslokation, 4 Translokationen mit 45 Chromosomen und einer unbalancierten X-autosomalen Translokation.

10.3 10.2.3

Inhomogenität der X-Inaktivierung

Ganz allgemein ist nicht davon auszugehen, dass die Inaktivierung immer und in jeder Zelle besteht. Der Unterschied zwischen normalen Männern (XY) und Klinefelter-Patienten mit XXY sowie zwischen normalen Frauen und solchen mit dem Ullrich-TurnerSyndrom (X0) kann nicht allein durch die volle Genaktivität beider X-Chromosomen in den ersten Embryonalstadien erklärt werden (7 Kap. 11.3). Dennoch kann man an dem späten Zeitpunkt der Replikation und durch die veränderte Kondensation in der Prophase der Mitose erkennen, dass das 2. X-Chromosom offenbar über weite Strecken des Zellzyklus inaktiviert ist, wobei der Mechanismus wohl auf einer weitgehenden Methylierung der DNA beruht. Bei pathologischen Veränderungen an X-Chromosomen wird häufig beobachtet, dass das pathologisch veränderte X-Chromosom – z. B. das Isochromosom der langen Arme, Ringchromosom oder deletiertes X-Chromosom – inaktiviert wird und das normale X-Chromosom aktiv bleibt. Hier besteht eine Ausnahme von der zufälligen Inaktivierung. Dafür gibt es 2 Hypothesen: 4 Hypothese 1 nimmt einen Selektionsvorteil der Zellen mit aktivem normalem X-Chromosom an. Dagegen sind die Zellen, in denen das normale X-Chromosom inaktiviert ist, genetisch unbalanciert und haben dadurch eventuell eine geringere Teilungsrate. 4 Hypothese 2 nimmt an, dass das abnorme XChromosom gezielt inaktiviert wird.

10

Geschlechtsdifferenzierung

Das Geschlecht definiert die Zuordnung von Individuen zweigeschlechtlicher Spezies zu männlichen und weiblichen Vertretern. Dabei können unterschiedliche Kriterien angewendet werden. Man unterscheidet 4 das chromosomale Geschlecht (XX = weiblich, XY = männlich), 4 das gonadale Geschlecht (Ovarien = weiblich, Testes = männlich, gemischte Keimdrüsen = intersexuell), 4 das genitale Geschlecht (äußeres Genitale und sekundäre Geschlechtsmerkmale), 4 das psychische Geschlecht (sexuelle Selbstdifferenzierung), 4 das soziale Geschlecht (sexuelle Einordnung durch die Umwelt).

10.3.1

Embryonale Geschlechtsentwicklung

Die Urkeimzellen liegen in der Wand des Dottersacks nahe der Allantois. Im Stadium 13 wandern sie von dort mittels amöboider Zellbewegung in die Region der Gonadenleisten ein. Die Gonadenanlage entsteht im Zölomwinkel zwischen Mesenterialwurzel und Urniere aus einer Verdickung des Zölomepithels. Das verdickte Zölomepithel produziert einen chemotaktischen Faktor aus der TGF-β-Familie, der die Urkeimzellen anzieht und sie gleichzeitig zur Proliferation stimuliert. Die Gonadenanlage wölbt sich schließlich als Gonadenleiste in die Leibeshöhle vor.

180

Kapitel 10 · Gonosomen

. Übersicht 10.2. Geschlechtsdifferenzierung

10

Männliche Entwicklung

Embryonalanlage

Weibliche Entwicklung

Testis

Genitalfalte der Urniere

Ovarium

Ductus epididymidis und Ductus deferens

Urnierengang (Wolff-Gang) und Urnierenreste

Gärtner-Gang und Nebeneierstock (Epoophoron)

Appendix testis und Utriculus prostaticus

Müller-Gang

Tuba uterina, Uterus, Vagina

Colliculus seminalis

Müller-Hügel

Ostium vaginae

Corpus cavernosum, Corpus spongiosum, Penis

Genitalhöcker, Genitalfalten

Clitoris, Labia minora pudendi, Vestibulum vaginae, Bulbus vestibuli

Skrotum

Genitalwülste

Labia majora pudendi

Bis zum Stadium 18 sind keine Geschlechtsunterschiede zu erkennen. Die Geschlechtschromosomen XX und XY entscheiden, ob sich die Gonaden männlich oder weiblich differenzieren. Beim männlichen Embryo entwickeln sich die noch undifferenzierten Gonaden in der 6. bis 8. Woche zu Hoden und beim weiblichen Embryo am Ende der 8. Woche zu Ovarien. Die Entwicklung des männlichen Geschlechts erfolgt durch die Hormone des fetalen Testes, während beim weiblichen Geschlecht ähnliche Einflüsse von Seiten des fetalen Ovars fehlen. Dementsprechend verläuft die Genitalentwicklung auch bei einem männlichen Individuum weiblich, wenn sich die Hoden nicht differenzieren und nur als bindegewebige Streaks vorliegen. In der 6. Entwicklungswoche findet man eine neutrale Entwicklungsstufe. Das innere Genitale besteht aus den Wolff- und den Müller-Kanälen und das äußere Genitale aus dem Sinus urogenitalis und dem Genitalhöcker. Unter Testosteroneinfluss entwickeln sich, gesteuert vom Androgenrezeptorgen auf dem langen Arm des X-Chromosoms, im dritten Monat beim Jungen aus dem Wolff-Kanal der Ductus deferens, die Epididymis (Nebenhoden) und die Samenblase, während sich der Müller-Kanal un-

ter Einfluss von Anti-Müllerian-Hormon zurückbildet. Beim Mädchen verschwindet der Wolff-Kanal, während aus dem Müller-Kanal Uterus, Tube und obere Vagina entstehen. Diese Vorgänge laufen ohne Einfluss des Ovars ab, die endokrin aktive Gewebsformation entwickelt sich erst im 7. Fetalmonat. Ähnliches gilt für die Gestaltung der äußeren Geschlechtsorgane. In Gegenwart des endokrinen aktiven Testosterons wächst das Tuberculum genitale zum Penis aus und durch die Fusion der Geschlechtsfalten und der Geschlechtswülste entwickeln sich Urethra und Skrotum. Bei Mädchen entstehen aus den Geschlechtsfalten die Labia minora und aus den Geschlechtswülsten die Labia majora (. Übersicht 10.2). Wie bereits erwähnt, wird die männliche Genitaldifferenzierung durch die zwei Hormone des fetalen Hodens aktiv induziert. Das eine ist das männliche Geschlechtshormon Testosteron, das von den LeydigZellen sezerniert wird. Das andere ist das Anti-Müllerian-Hormon, ein Polypeptid, das in den Sertoli-Zellen gebildet wird. Testosteron, das am Ende des dritten Fetalmonats im Blut eine ähnlich hohe Konzentration wie beim erwachsenen Mann aufweist, muss am Wirkungsort zuerst durch 5-α-Reduktase zu Dihydrotestosteron (DHT) umgewandelt werden.

181 10.3 · Geschlechtsdifferenzierung

Kinik Pseudohermaphroditismus Beim Pseudohermaphroditismus sind Keimdrüsen des einen und Geschlechtsmerkmale des anderen Geschlechts bzw. eine intersexuelle Genitalentwicklung charakteristisch. Auf die testikuläre Feminisierung (Pseudohermaphroditismus masculinus) mit dem Karyotyp 46, XY wurde schon mehrfach eingegangen. Hier besteht eine Androgenresistenz aufgrund einer Störung des intrazellulären Wirkungsmechanismus von Testosteron und Dihydrotestosteron. Dass Dihydrotestosteron nicht an die intrazellulären Rezeptoren bindet, kann in Fibroblasten nachgewiesen werden.

10

Beim Pseudohermaphroditismus femininus liegt eine männliche oder intersexuelle Genitalentwicklung bei Individuen mit einem 46-XX-Karyotyp und eindeutigen Ovarien vor. Meist liegt eine abnormale Androgenwirkung auf die weibliche Genitaldifferenzierung vor. Die häufigste Ursache ist ein Enzymdefekt in der Kortisolsynthese, die zum adrenogenitalen Syndrom führt. Selten kann es sich um eine transplazentare Virilisierung durch androgene Tumoren, transitorische Schwangerschaftsluteome der Mutter oder exogene Hormone handeln.

In Kürze

4 Die Geschlechtsentwicklung wird sowohl von gonosomalen als auch von autosomalen Genen determiniert. 4 Homologien zwischen X und Y existieren überwiegend in den beiden pseudoautosomalen Regionen PAR1 und PAR2. 4 Zwischen PAR1 von X und Y findet in der männlichen Meiose obligates Crossing-over statt. Diese Homologie ist zur Erkennung, Paarung und folgenden regelgerechten Trennung beider Chromosomen in der RI notwendig. 4 SRY determiniert das männliche Geschlecht und kontrolliert die Synthese von TDF. 4 Das Gen DDS auf Xp kann die testikuläre Entwicklung trotz Anwesenheit von SRY unterdrücken. 4 Zur Dosiskompensation X-chromosomal-gekoppelter Gene zwischen männlichen und weiblichen Individuen wird in weiblichen Zel-

4

4 4 4

4

len eines der beiden X-Chromosomen nach dem Zufallsprinzip inaktiviert. Diese Inaktivierung erfolgt in der frühen Embryogenese, wobei in allen Tochterzellen immer das gleiche X-Chromosom inaktiviert wird, wie in der Zelle von der diese abstammen. Das inaktivierte X-Chromosom kann als Sexchromatin in Interphasekernen dargestellt werden. Die X-Inaktivierung wird vom XIST-Gen gesteuert. Das Geschlecht definiert die Zuordnung von Individuen zweigeschlechtlicher Spezies zu männlichen und weiblichen Vertretern. Dabei können unterschiedliche Kriterien angewendet werden. Die Entwicklung des männlichen Geschlechts erfolgt durch die zwei Hormone Testosteron und Anti-Müllerian-Hormon des fetalen Hodens.

11

Mutationen

> > Einleitung Mutationen sind Änderungen des Erbmaterials, die auf unterschiedliche Weisen entstehen können. In diesem Kapitel werden ihre verschiedenen Formen und die wichtigsten phänotypischen Manifestationen behandelt.

Mutationen lassen sich in drei verschiedene Gruppen unterteilen: 4 Genmutationen, 4 strukturelle Chromosomenmutationen, 4 numerische Chromosomenmutationen (Genommutation). Die Auswirkungen von Mutationen beim Menschen sind in allgemeiner Form in der . Übersicht 11.1 zusammengefasst.

11.1

11

Genmutationen und ihre Folgen

Genmutationen sind mikroskopisch unsichtbare, kleine molekulare Änderungen der DNA. Dabei ist bei Punktmutationen nur ein einziges Basenpaar betroffen. Sie sind die am häufigsten beobachteten Mutationen. Verschiedenste Mechanismen können zu einer Genmutation führen.

11.1.1

Formen

Substitution ! Bei einer Substitution handelt es sich um den Austausch einer einzigen Base im Triplett.

Ein Beispiel ist die Entstehung der Sichelzellanämie, bei der HbA in HbS umgewandelt ist. Auf Ebene der Aminosäuren wird in Position 6 der β-Kette des Hämoglobins Glutaminsäure durch Valin ersetzt (. Abb. 11.1). Auf der Ebene der DNA sind folgende Basensubstitutionen möglich: CCT → CAT CTC → CAC Thymin wird also durch Adenin ersetzt. ! Die Substitution einer Purinbase durch eine Pyrimidinbase (oder auch umgekehrt) nennt man Transversion. Die Substitution einer Purinbase durch eine Purinbase oder einer Pyrimidinbase durch eine Pyrimidinbase wird als Transition bezeichnet.

Transversion und Transition als Mutationsmechanismen zeigt . Abb. 11.2. Folge einer Substitution auf Genproduktebene ist also der Austausch einer Aminosäure in der Polypeptidkette. Dies ist immer dann der Fall, wenn der Austausch im Codon auch zu einer anderen Aminosäure führt. Da die einzelnen Positionen im Codon aber einem unterschiedlichen Grad an Degeneration unterliegen (Wobble-Hypothese), kann es auch zu einem Nukleotidaustausch ohne Veränderung der Aminosäuresequenz kommen (same-sense-Mutationen). Die Substitutionsrate an nicht degenerierten codierenden Bereichen ist sehr gering, da hier der Selektionsdruck konserviert.

. Übersicht 11.1. Mutationen beim Menschen und ihre wichtigsten Folgen

Numerische und strukurelle Chromosomenmutationen

Genmutationen

In Keimzellen (einschließlich früher Furchungsstadien)

5 Aborte 5 Fehlbildungen

Anomalien mit Mendelschem Erbgang

In somatischen Zellen

5 Tumore 5 Fehlbildungen durch fetale Schädigungen

Tumore

183 11.1 · Genmutationen und ihre Folgen

11

. Abb. 11.1. Aminosäureaustausch von Glutaminsäure durch Valin bei der Sichelzellanämie

. Abb. 11.2. Transition und Transversionen als Mutationsmechanismen auf molekularer Ebene (4 Transitionen ⇆ und 8 Transversionen ⇠ ⇢ sind möglich; Purinbase, Pyrimidinbase)

Deletion

Insertion

! Weit weniger häufig als Substitutionen sind Deletionen. Bei dieser Mutation gehen ein oder mehrere Triplettcodons verloren, was zum Ausfall von Aminosäuren in der Polypeptidkette führt. Außerdem kann die Deletierung eines Basenpaares eine Verschiebung des Leserasters zur Folge haben. In der Regel bedingt dies eine komplette Veränderung der Aminosäuresequenz. Man bezeichnet diesen Typ von Mutation als frameshift-Mutation.

! Sehr selten können auch umgekehrt zur Deletion ein oder mehrere Basenpaare neu integriert werden. Der Effekt ist der gleiche wie bei der molekularen Deletion: es kommt zu einer Verschiebung des Leserasters.

Als Beispiel sei hier das Dystrophingen erwähnt. Deletionen in seinem mittleren Abschnitt führen zu einer Becker- (also zu einer leichteren Erkrankung) oder Duchenne-Muskeldystrophie. Deletionen mit Verschiebung des Leserasters führen meist zur schweren Duchenne-Form (. Abb. 11.3).

Duplikation ! Duplikationen auf Genebene entstehen häufig durch illegitimes oder nicht homologes Crossingover. Hierbei ist das duplizierte Segment Teil eines Gens oder ein komplettes Gen.

In der Evolution sind durch solche Prozesse ganze Stoffwechselketten schrittweise aufgebaut worden, indem nach erfolgten Genverdopplungen Punktmutationen modifizierend einwirkten (. Abb. 11.4).

184

11

Kapitel 11 · Mutationen

. Abb. 11.3. Deletionen im mittleren Teil des Dystrophingens. Hier treten sowohl frame-shift-Mutationen auf, die i. d. R. zur schwereren Duchenne-Form führen, als auch solche

. Abb. 11.4. Homologes und inhomologes Crossing-over

ohne Leserasterverschiebung, die zur leichteren Becker-Form führen. Die nummerierten Kästen symbolisieren die Exons 43–55

185 11.1 · Genmutationen und ihre Folgen

Trinukleotidwiederholungen ! Bei Trinukleotidwiederholungen wird ein Motiv vermehrt (amplifiziert), das aus drei Basen besteht. Dieses ist instabil und vermehrt sich zunehmend.

1991 wurde dieses Phänomen beim fragilen X-Syndrom und später bei der myotonen Dystrophie und der Chorea Huntington nachgewiesen. Das Lebensalter und die Schwere des Krankheitsverlaufs korrelieren mit der Anzahl der Trinukleotidwiederholungen. Der Verdacht, dass bei diesen Erkrankungen die Krankheit sich in aufeinander folgenden Generationen immer früher manifestiert und immer schwerer verläuft (Antizipation), konnte bestätigt werden. Die Anzahl der repetitiven Sequenzen nimmt von Generation zu Generation zu. Entstehungsmechanismus. Über die genetischen

Mechanismen, die den Verlängerungen repetitiver Triplettsequenzen zugrunde liegen, ist noch wenig bekannt. Möglicherweise entstehen schwache Wiederholungen durch Fehlpaarung gegeneinander verschobener DNA-Stränge. Ist eine bestimmte Wiederholungssequenz erst einmal vorhanden, kann es über ungleiches Crossing-over von Schwesterchromatiden zu starken Verlängerungen kommen. Ein anderer Mechanismus ist das Polymeraseslippage. Ein »Wegrutschen« der Polymerase bei der DNA-Replikation kann die Verlängerung von kurzen Wiederholungssequenzen bewirken. Vielleicht kann aber auch ein bisher unbekannter, völlig anderer Mechanismus verantwortlich sein. Unterschiedliche repetitive Sequenzen. Mehrere

bisher beschriebene Gene enthalten das Wiederholungsmotiv (CAG)n im codierenden Bereich, welches als Polyglutamin translatiert wird. In nicht pathologischen Genen finden sich ca. 10 bis 40 Wiederholungen, in pathologischen ca. 40 bis 100. Andere Wiederholungsmotive sind zum Beispiel (CGG, CCG, CTG, GAA)n. Sie treten in nicht codierenden Bereichen mit einer Wiederholungssequenz von 5 bis 50 Kopien auf, die sich im pathologischen Falle auf Hunderte bis Tausende ausdehnen können. Dies beeinflusst offenbar die DNA-Methylierung und die Chromatinstruktur. So entstehen bruchanfällige Bereiche an den Chromosomen (vgl. fragiles X-Syndrom). Bei der myotonen Dystrophie ist die Wieder-

11

holungssequenz (CTG)n bisher einzigartig im untranslatierten Bereich am 3-Ende des Gens der Dystrophia-myotonica-Kinase aufgetreten. Das Normalgen besitzt 5 bis 35 Wiederholungseinheiten, das pathologische bis zu 4.000 (. Übersicht 11.2).

Sonstige Formen von Genmutationen Ist die Nukleotidsequenz an ganz bestimmten kritischen Stellen, z. B. in einem Terminationscodon mutiert, so springt die DNA-Polymerase nicht ab. Durch das Überlesen der Terminationsstelle folgt eine Verlängerung der mRNA und die Bildung einer Nicht-Sinn-Polypeptidkette auf der Grundlage der Translation. Ein Terminationscodon kann durch Mutation an einer nicht dafür vorgesehenen Stelle neu entstehen. Daraus resultiert ein zu früher Kettenabbruch (Beispiel: Neurofibromatose Typ 1). Darüber hinaus kann die Promotorregion mutiert sein. Dies kann zu einem völligen Ausfall der Transkription für das nachfolgende Gen führen. Das Ergebnis sind die uns bereits bekannten Pseudogene. Fehler im Splicing können durch Punktmutationen in Introns entstehen. Beim Tay-Sachs-Syndrom sind solche Mutationen beschrieben, wenngleich der häufigste Mutationstyp hier eine Insertion darstellt, die eine Leserasterverschiebung bewirkt. (. Übersicht 11.3). Ein Beispiel für eine durch nicht-homologes Crossing-over entstandene Genmutation sind die Lepore-Hämoglobine. Sie werden von δ-β-Fusionsgenen codiert. Die Fusionsgene stehen unter der Kontrolle des nur wenig aktiven δ-Promotors, was zu einer β-Thalassämie führt. Eine weitere seltene Form der Genmutation ist die Integration eines Retrotransposons in ein Gen.

11.1.2

Spontane Genmutationen

Mutationen sind spontane, ohne erkennbare äußere Ursachen auftretende Ereignisse in der Keimbahn und in somatischen Zellen. Man spricht dann von Neumutationen (. Übersicht 11.4). Sie treten mit einer bestimmten statistischen Gesetzmäßigkeit als seltene Ereignisse auf, wobei die Mutationsraten für verschiedene menschliche Loki unterschiedlich sind.

Adult

>30

>30

variabel

Spinozerebel. Ataxie 8 (SCA8)

Spinozerebel. Ataxie 11 (SCA11)

Spinozerebel. Ataxie 17 (SCA17)

Dentatorubropallidolysiane Atrophie (DRPLA)

a: Antizipation, c: Kontraktion, e: Expansion

>30

Adult

Spinozerebel. Ataxie 7 (SCA7)

kongenital

>30

Spinozerebel. Ataxie 6 (SCA6)

Spinobuläre Muskelatrophie (Kennedy-Syn.)

>45

Spinozerebel. Ataxie 3 (SCA3)

FRAXF

>30

Spinozerebel. Ataxie 2 (SCA2)

kongenital

>25

Spinozerebel. Ataxie 1 (SCA1)

FRAXE

Kindesalter

Juvenile Myoklonusepilepsie

Kindesalter

30–45

Myotone Dystrophie 2 (DM2)

kongenital

variabel

Myotone Dystrophie (DM)

FRAXA

>35

Chorea Huntington

Xq21

Xq28

Xq28

Xq27.3

9q13–21

12p23

6q27

15q14–21

13q21

3p12–21.1

19p13

14q32

12q24

6p23

21q22.3

3q21

19q13

4p16.3

Lokalisation

kodierender Bereich

?

Promotor

5’UTR

Intron 1

kodierender Bereich

kodierender Bereich

Intron 9

UTR-RNA

kodierender Bereich

kodierender Bereich

kodierender Bereich

kodierender Bereich

kodierender Bereich

Promotor

Intron 1

3’UTR

kodierender Bereich

Position im Gen

11

Friedreich-Ataxie

Manifestationsalter

Krankheit

. Übersicht 11.2. Erkrankungen mit instabilen repetitiven Trinukleotidsequenzen

(CAG)n

(GCC)n

(CCG)n

(CGG)n

(GAA)n

(CAG)n

(GAG)n

(ATTCT)n

(GTG)n

(GAG)n

(CAG)n

(CAG)n

(CAG)n

(CAG)n

(CCCCGCCCGCG)n

(CCTG)n

(CTG)n

(CAG)n

Repeat

20–200 – –

6–25 6–29 9–35

–

3–35

50–200

–

25–42

–

–

10–22

6–52

–

7–22

–

–

12–39

16–37

–

14–31

7–35

–

6–38

–

–

4–17

–

2–3

37–50

–

prä-M.

12

5–35

6–35

kont.

Repeatanzahl

36–62

>500

> 200

200– >1000

200–1700

49– 88

48–63

95

Achondroplasie

80

Tuberöse Sklerose

80

Neurofibromatose

40

Marfan-Syndrom

30

Myotone Dystrophie

25

Chorea Huntington

1

Adulte polyzystische Niere

1

Familiäre Hypercholesterinämie

> Einleitung Seit den 1970er Jahren haben Erkenntnisse aus der Molekularbiologie im Alltag der Medizin eine wachsende Bedeutung. Das folgende Kapitel vemittelt, wie heute Gene oder Mutaionen nachgewiesen werden und erklärt Indikation und Vorgehen bei der genetischen Beratung.

12.1

Gentechnologische Methoden

Anfang der 1970er Jahre trat die Molekularbiologie in eine neue Periode ihrer Entwicklung ein, die gegenwärtig ihren vorläufigen Höhepunkt in der Sequenzierung des Humangenoms und des Genoms anderer im Labor häufig verwendeter Organismen gipfelt. Damals wurden Enzyme entdeckt, die in der Lage sind, DNA an spezifischen Stellen zu spalten: die Restriktionsendonukleasen. Mit ihnen konnte man nun beliebige DNA-Sequenzen herausschneiden, diese mit einem DNA-Vektor (als Träger für den Gentransport) verbinden, sie mit diesem Vektor vermehren (in-vivo-Klonierung) und sie in andere Zellen zuverlässig bringen. Diese Genübertragung kann von Eukaryoten auf Prokaryoten und umgekehrt erfolgen, über praktisch alle Art-, Gattungsund Familiengrenzen hinaus. Bis heute ist nicht absehbar, welche neuen Perspektiven hierdurch eröffnet werden. Die nötigen biologischen Techniken werden als Gentechnologie, Gentechnik, Rekombinationstechnik, Genmanipulation oder Genetic Engineering bezeichnet.

12.1.1

12

Gewinnung von DNA-Sequenzen

Prinzipiell kann man bestimmte DNA-Sequenzen für eine Klonierung auf drei verschiedenen Wegen gewinnen (. Übersicht 12.1).

. Übersicht 12.1. Möglichkeiten zur Gewinnung von DNA-Segmenten Aminosäuresequenz

DNA-Sequenz wird durch chemische Synthese hergestellt

Klonierung des gesamten Genoms

»Schrotschussklonierung« und Selektionierung auf gewünschte Sequenz

Angereicherte mRNA

Übersetzung in cDNA

Als erste Möglichkeit kann die DNA-Sequenz durch chemische Synthese hergestellt werden, wenn die Aminosäuresequenz eines bestimmten Proteins bekannt ist. Dieser Weg ist jedoch aufwändig, kostenintensiv und ist nur eingeschränkt anwendbar, da die Aminosäuresequenz häufig unbekannt ist.

Wirkungsweise von Restriktionsendonukleasen Mit Hilfe von Restriktionsenzymen kann ein Genom in kurze DNA-Fragmente zerlegt werden. Diese können in Plasmide eingebaut und vermehrt werden; mittels entsprechender Testsysteme kann die gewünschte DNA bestimmt werden. Die Restriktionsenzyme sind von ihrem Wirkungsmechanismus her Endonukleasen. Restriktionsendonukleasen sind Bestandteile eines Systems zum Abbau fremder DNA in Bakterien. Wie funktioniert jedoch dieses System? In der Beantwortung dieser Frage liegt der Schlüssel zum Verständnis der Wirkungsweise der Restriktionsenzyme. Die DNA von Bakterienstämmen ist im Durchschnitt etwa alle tausend Basenpaare methyliert. Dabei erfolgt die Methylierung innerhalb ganz bestimmter Nukleotidsequenzen, die durch Spiegelsymmetrie gekennzeichnet sind. Die Sequenz, die beispielsweise von dem E. coli-Enzym Eco R1 – welches in der Gentechnologie häufig verwendet wird – erkannt wird, weist in jeder Richtung (5’ → 3’ oder 3’ → 5’) zur Mittelachse hin die gleiche Nukleotidsequenz auf:

210

Kapitel 12 · Methoden und medizinische Bedeutung der Gentechnologie

5’-GAA*TTC-3’ 3’-CTTA*AG-5’ (* Methylgruppen) Fehlt diese Methylierung, so wird die DNA als fremd angesehen und geschnitten, in unserem Beispiel wie folgt: 5’-GAATTC-3’ 3’-CTTAAG-5’

12

-G -CTTAA

AATTGG-

Die Enzyme, die solche spezifischen Schnitte durchführen können, werden als Restriktionsenzyme bezeichnet. Viele solcher Restriktionsenzyme mit sehr verschiedener Sequenzspezifität konnten isoliert werden. Dies liegt daran, dass fast jeder Bakterienstamm sein eigenes sequenzspezifisches Restriktionssystem besitzt. Bei manchen Restriktionsenzymen liegen die Schnittstellen in beiden Strängen an derselben Stelle, die von ihnen gebildeten Fragmente enden stumpf. Im anderen Fall, wie in unserem Beispiel, bestehen kohäsive Einzelstränge, d. h. die Stränge sind ein bis fünf Nukleotide gegeneinander versetzt. Diese einsträngigen komplementären Enden heißen auch sticky ends. Man kann nun DNA verschiedener Herkunft, z. B. solche von Plasmiden, die die gleichen Erkennungsstellen für das Restriktionsenzym tragen, in gleicher Weise schneiden. Nach den Regeln der Basenpaarung lagern sich die sticky ends dann aneinander, wenn sie die charakteristische Basensequenz aufweisen. Ligasen legen nun noch die Verbindung zwischen den jeweils endständigen Nukleotiden. Damit entsteht ein neues DNA-System, z. B. ein Plasmid mit DNA aus höheren Organismen. Schneidet man nun DNA, z. B. des menschlichen Genoms, nach einem »Schrotschussprinzip«, so erhält man eine enorme Menge von Fragmenten mit dem Ergebnis, dass einige dieser Fragmente Teile von Genen enthalten, sehr viele jedoch nicht codierende DNA enthalten und somit überhaupt keine Gene.

DNA-Kopie aus mRNA Ein dritter Weg, und womöglich eine weit bessere Strategie, Sequenzen für eine Klonierung zu gewin-

nen, ist daher die Isolation von nur solchen DNASequenzen, die in RNA transkribiert werden. Eine viel verwendete Methode geht daher von der mRNA des gesuchten Genproduktes aus. Allerdings muss es gelingen, hiervon eine DNA-Kopie zu erhalten. Nun gibt es onkogene Viren, deren Genom nicht aus DNA, sondern aus RNA aufgebaut ist. Diese Viren enthalten ein spezielles Enzym, die Reverse Transkriptase. Nach Infektion einer Wirtszelle stellt dieses Enzym eine DNA-Kopie der Virus-RNA her. Die Virus-RNA dient dabei als DNA-Matrize. Diese DNA kann dann in das Genom des Wirts integriert werden und zur Umwandlung in eine maligne Tumorzelle führen. ! Zur Erstellung einer DNA-Kopie aus mRNA kann also diese Reverse Transkriptase genutzt werden. Man bezeichnet auf diese Weise hergestellte DNA als cDNA (c=copy).

Die Einzelstrang-DNA, die von der mRNA durch Reverse Transkriptase kopiert wird, kann mit DNAPolymerase doppelsträngig gemacht, in einen Vektor überführt und kloniert werden (. Abb. 12.1). Umgekehrt kann natürlich cDNA dazu benutzt werden, beispielsweise nach einer Klonierung nach dem Schrotschussprinzip die Klone zu identifizieren, die Gene enthalten.

Isolation und Anreicherung der mRNA Das Hauptproblem bei der Genklonierung über die mRNA ist, dass das gewünschte Gen in der Zelle meist nur als Einzelexemplar vorkommt, d. h. man muss Methoden zur Genanreicherung finden. Einfacher ist es dagegen, die mRNA aus der GesamtRNA (rRNA, tRNA, mRNA) der Zelle zu isolieren. Hier nutzt man eine Besonderheit der mRNA-Moleküle aus Säugetierzellen. Sie tragen nämlich fast alle am 3’-Ende eine Polyadenylatsequenz (100–200 Nukleotide). An diesem Poly-A-Schwanz können sie durch Poly-T-Säulen herausgezogen werden (Affinitätschromatographie als besondere Form der Säulenchromatographie). Zur Anreicherung benutzt man eine Methode der Immunselektion: ein spezifischer Antikörper gegen das Genprodukt bindet an Polysomen, an denen dieses Protein synthetisiert wird. Nach Isolation des Polysomen-Antikörper-Komplexes kann dann

211 12.1 · Gentechnologische Methoden

12

Hybridisierung von Gesamt-mRNA mit dem Starteroligonukleotid beginnt die Reverse Transkriptase bevorzugt an RNA mit dem Starteroligonukleotid. Es wird also bevorzugt die gewünschte RNA transkribiert, was zu einer deutlichen Anreicherung der gesuchten cDNA führt.

12.1.2

. Abb. 12.1. Umschreibung von mRNA in cDNA. An Poly-A der mRNA wird eine kurze Sequenz aus Thyminnukleotiden als Primer für die Reverse Transkriptase angelagert. Diese polymerisiert einen komplementären cDNA-Strang, welcher durch DNA-Polymerase doppelsträngig gemacht wird. Dabei entsteht am Ende der Doppelhelix ein einzelsträngiger hairpin, der durch eine spezielle Nuklease gespalten wird

die spezifische mRNA isoliert werden. Dies führt zu einer Anreicherung der gesuchten RNA um einen Faktor 100–1.000, sodass diese dann in der Regel ca. 1–10% der gesamten mRNA ausmacht. Nach der Synthese von doppelsträngiger DNA über cDNA wird häufig dieses Gemisch schon zur Klonierung eingesetzt und das gesuchte Gen später herausselektioniert. Ist ein Stück der Sequenz des gesuchten Gens etwa über die Proteinsequenz bekannt, so kann man die Anreicherung nochmals verbessern. Hierzu nimmt man ein synthetisches Oligonukleotid des Gens als Starter für die Reverse Transkriptase. Nach

Rekombinante DNA

Zum Einbau von DNA-Segmenten in einen In-vivoKlonierungsvektor, also zur Herstellung rekombinanter DNA-Moleküle, stehen prinzipiell drei verschiedene Methoden zur Verfügung (. Übersicht 12.2). Die erste Methode haben wir im Prinzip am Beispiel von Eco RI bereits besprochen. Man benutzt die sticky ends, die durch bestimmte Restriktionsenzyme erzeugt werden, zur Paarung gleichartiger Enden unterschiedlicher DNA-Fragmente, die dann durch DNA-Ligase miteinander verknüpft werden. Einige DNA-Ligasen können aber auch Fragmente mit stumpfen Enden miteinander verbinden. Man kann so die Fremd-DNA, die man in einen Vektor einbauen möchte, mit synthetischen Oligonukleotiden einer vorgegebenen Sequenz koppeln. Besitzen diese Oligonukleotide, die man dann als Linker-Moleküle bezeichnet, Erkennungsstellen für ein bestimmtes Restriktionsenzym, so kann die Fremd-DNA in den Vektor eingebaut werden, obwohl sie ursprünglich keine Enzymerkennungsstelle besaß, die in dem Vektor vorkommt (. Abb. 12.2).

. Übersicht 12.2. Klonierungsvektoren und der Einbau von DNA-Segmenten

Klonierungsvektoren

Einbau von DNA-Segmenten

Plasmide

Sticky ends werden gepaart und durch Ligase verknüpft

Viren

Stumpfe Enden werden mit Linker-DNA gekoppelt, geschnitten und mit einem ebenso vorbehandelten Vektor durch Ligase verknüpft

Cosmide

Einbausegment wird mit terminaler Transferase und Nukleotiden inkubiert und mit einem ebenso vorbehandelten Vektor durch Ligase verknüpft

212

Kapitel 12 · Methoden und medizinische Bedeutung der Gentechnologie

Vektoren müssen verschiedene Voraussetzungen erfüllen: 4 sie müssen sich unabhängig vom Wirtsgenom replizieren, also eine selbständige Replikationseinheit bilden, 4 sie müssen die zu vermehrende DNA-Sequenz integrieren, wobei dies teilweise unter Austausch gegen einen Teil der eigenen DNA erfolgt, 4 sie müssen mit hoher Effizienz in die Wirtszellen gebracht werden können. Solche Bedingungen werden z. B. von Plasmiden und Viren erfüllt, wobei Viren einen beträchtlichen Anteil von Fremd-DNA einbauen können, was gegenüber Plasmiden gewisse Vorteile bildet. Als weiterer Klonierungsvektor wurden Cosmide entwickelt, Hybride zwischen Plasmiden und Sequenzen des Phagen Lambda. Sie vereinen Vorteile von beiden Systemen: von den Plasmiden die autonome Replikationsfähigkeit und Gene zur selektiven Prüfung des Einbaus in die Wirtszelle und von den Phagen die Möglichkeit der Verpackung der FremdDNA in Phagenhüllen.

12.1.4

12

. Abb. 12.2. Ligierung stumpfer Enden zur Anheftung von Linkermolekülen und Erzeugung von »sticky ends« nach Schneiden mit Restriktionsenzym. Nachfolgender Einbau in einen Vektor

Eine dritte Methode der Verknüpfung benutzt das Enzym Terminale Transferase, das an die 3’-Enden einer DNA-Kette Guanin- bzw. Cytosinnukleotide anhängen kann. So entstehen Oligo-G- bzw. Oligo-CSchwänze. Versieht man die einzubauende und die Vektor-DNA mit den jeweils komplementären Schwänzen, so ist eine wechselseitige Verknüpfung möglich. Anschließend wird durch Ligasebehandlung ein rekombinantes DNA-Molekül gebildet.

12.1.3

Klonierungsvektoren

Kommen wir nun zu den Vektoren, von denen die Isolierung zahlreicher Kopien einer gegebenen DNA-Sequenz entscheidend abhängt. Brauchbare

Einbau der Vektoren

Die gebräuchlichsten Wirtszellen in der Gentechnologie sind E. coli. Da die Transformation (auch als Transfektion bezeichnet) mit Plasmiden um mehrere Zehnerpotenzen seltener abläuft als die Infektion mit Viren, ist eine Vorbehandlung der Wirtszellen notwendig. Man möchte damit erreichen, dass möglichst viele Zellen DNA aufnehmen. Häufig macht man die Zellwände mit besonderen Agenzien wie Kalziumionen durchlässig. Aber auch dann ist in der Regel die Transformationshäufigkeit noch gering, sodass man den plasmidtragenden Zellen einen besonderen Phänotyp geben muss. Da zudem nicht alle Plasmidvektoren die neu integrierte DNA-Sequenz (Insert) tragen, muss weiterhin auf Plasmide mit rekombinanter DNA selektioniert werden. In der Regel benutzt man hierfür Gene für Antibiotikaresistenzen als Plasmidmarker. Geben wir den besonderen Phänotyp für plasmidtragende Zellen durch ein Antibiotikaresistenzgen A an und besitzt das Plasmid eine Restriktionsstelle für das Insert in einem Antibiotikaresistenzgen B, so

213 12.1 · Gentechnologische Methoden

werden Zellen, die ein Plasmid mit Insert tragen, resistent gegen A, aber sensibel gegen B sein (Insertionsinaktivierung). Wirtszellen ohne Plasmid sind dagegen sensibel für A und B und solche mit Plasmid ohne Insert resistent gegen A und B. Sehr effizient ist die Infektion mit Viren, besonders mit solchen, die sich von E. coli-Viren ableiten. Die DNA wird in Virushüllprotein verpackt und in das Bakterium eingeschleust. Entsprechendes gilt für Cosmide.

12.1.5

Selektion spezifischer DNA

12

DNA oder RNA und die Identifizierung der komplementären Bande(n). Die DNA kann dann aus Banden identischer Position eines Parallelansatzes isoliert werden (. Abb. 12.4). Weitere Techniken. Neben diesen Techniken existieren noch weitere Methoden zur Selektion spezifischer DNA-Fragmente, z. B. die Selektion mit Antikörpern oder durch Enzymkompensation. Mit diesen verschiedenen Techniken konnten bislang zahlreiche Gene identifiziert und weiter charakterisiert werden.

Gentechnologische Arzneimittelherstellung Nach einer Klonierung (nach dem Schrotschussprinzip) besitzt man häufig eine Vielzahl von Zufallsfragmenten der DNA, aus der dann bestimmte Klone selektioniert und identifiziert werden müssen. Zwei bedeutende Techniken sollen hier erwähnt werden: 4 die Kolonienhybridisierung, 4 die Southern-blot-Hybridisierung.

Kolonienhybridisierung Eine Mutterplatte mit bakteriellen Klonen oder Phagenplaques (Löcher in einem Bakterienrasen, die bei der Virusvermehrung durch Lyse der Bakterien entstehen) wird auf einen Nitrozellulosefilter überstempelt. Nach Denaturierung der DNA zur Einzelsträngigkeit wird mit einer radioaktiv markierten DNA- oder RNA-Probe hybridisiert. Die Probe, die zur Suche eingesetzt wird, ist eine Teilsequenz des gesuchten Gens oder der gesuchten Sequenz, die z. B. aus der Aminosäuresequenz des Genproduktes chemisch synthetisiert wurde. Man kann nun durch Autoradiographie ermitteln, welche Kolonien die komplementären Sequenzen zur Probe tragen und so die gewünschten DNA-Sequenzen selektionieren und weiter klonieren (. Abb. 12.3).

Southern-blot-Hybridisierung Mit diesem gängigen Verfahren erkennt man die gesuchten DNA-Sequenzen in einer Mischung von Fragmenten, die über eine Agarosegelelektrophorese aufgetrennt wurden. Nach Denaturierung der DNA im Gel zu Einzelsträngen wird diese auf ein Nitrozellulosefilter übertragen. Anschließend erfolgt die Hybridisierung mit radioaktiv markierter

Mit den besprochenen Methoden ist es nun möglich, eukaryotische Gene durch Klonierung in Bakterien zur Produktion ihres Genprodukts zu veranlassen. Das Genprodukt muss dann zur Verwendung als Medikament letztlich nur noch isoliert und aufgereinigt werden, was allerdings in der Praxis, wie auch der gesamte Weg vorher, häufig ein dornenreicher Weg ist. Im Jahr 1982 wurde in den USA mit einem Humaninsulin das erste gentechnisch hergestellte Medikament zugelassen. In den anschließenden Jahren folgten weitere in verschiedenen Expressionssystemen. Drei der im Handel befindlichen stehen auf der Bestsellerliste der 10 umsatzstärksten Arzneimittel überhaupt, mit Umsätzen von jeweils 1,5 Milliarden US-Dollar und höher. Nach Angaben des Verbandes Forschender Arzneimittelhersteller wird künftig kein Medikament mehr auf den Markt kommen, an dessen Entwicklung die molekulare Biotechnologie nicht beteiligt war. Die größte Gruppe dieser Medikamente (25%) wird gegen Infektionen eingesetzt, 15% werden zur Behandlung von Krebs und 12,5% bei Hormonstörungen verordnet. Weitere Anwendungsgebiete sind Erkrankungen mit genetischer Ursache, Imunsuppression und Impfstoffe.

Vorteile gentechnisch erzeugter Medikamente Wie haben nun diese neu eingeführten Medikamente die Situationen für den Patienten verändert? Wir wollen das an einigen Beispielen erörtern. Das gentechnisch hergestellte Humaninsulin hat weitgehend das bis dahin verwendete, geringer wirksame Schweine- oder Rinderinsulin verdrängt.

214

Kapitel 12 · Methoden und medizinische Bedeutung der Gentechnologie

. Abb. 12.3. Kolonienhybridisierung

12

Dies ist besonders nützlich für Menschen, die gegen das tierische Insulin Antikörper gebildet haben und somit allergisch reagieren. Das für den medizinischen Genetiker besonders wichtige Wachstumshormon Somatotropin muss nicht mehr aus den Hypophysen frisch Verstorbener gewonnen werden. Dies wird als Übertragungsweg für die Creutzfeld-Jakob-Erkrankung angesehen. Der Gerinnungsfaktor VIII, den Hämophile nicht in funktionsfähiger Form bilden, kann nun wirkungsvoll eingesetzt werden, da die bisherige äußerst teuere Isolierung aus menschlichem Blut

überflüssig ist. Die Krankenkassen werden allein hier künftig erhebliche Beträge einsparen, da die lebenslange konventionelle Behandlung eines einzigen Hämophilen vorher Millionenbeträge erforderte. Zusätzlich sinkt die Infektionsgefahr (AIDS, Hepatitis u. a.). Das Produkt Erythropoetin, ein Wachstumsfaktor für Erythrozyten, erspart nierenkranken Dialysepatienten die sonst häufigen Bluttransfusionen. Der Gewebsplasminogenaktivator (TPA) wird bei akutem Herzinfarkt eingesetzt. Als Thrombolytikum löst er den Blutpropf in den Herzkranzgefäßen auf.

215 12.1 · Gentechnologische Methoden

12

. Abb. 12.4. Southern-blot-Hybridisierung

Große Hoffnungen werden auch in eine Gruppe von körpereigenen Substanzen gesetzt. Es handelt sich um die Koloniestimulierenden Faktoren GCSF und GM-CSF. Sie fördern bei der Entwicklung von Blutzellen die Differenzierung und das Wachstum von Vorstufen unterschiedlicher Zelltypen. Beide Medikamente werden bei Krebskranken eingesetzt: GM-CSF zur Behandlung von Patienten, die wegen einer Leukämie eine Knochenmarkstransplantation erhalten. G-CSF unterstützt die Chemotherapie. Unter dieser Behandlung werden die weißen Blutzellen wesentlich schneller regeneriert, was das völlig danieder liegende Immunsystem der Patienten nach Chemotherapie und/oder Bestrahlung rascher wieder in Funktion setzt. Dies könnte bei

einigen Tumoren zu Heilungschancen verhelfen, bei denen bisher wegen des Zusammenbruchs des Immunsystems eine weitere Therapie abgebrochen werden musste. Bei einigen Viren war es bisher kaum möglich, Antigene für Impfstoffe in ausreichendem Maße konventionell zu isolieren. Nun können gentechnisch seit einiger Zeit jedoch Hepatitis-Virus-Antigene produziert werden. Hiermit sind HepatitisImpfstoffe produziert worden.

Ausblick auf zukünftige Anwendungen Die Forschung an Genprodukten der Zukunft zielt, neben den bisher erwähnten Anwendungsgebieten, auf Krankheiten, die konventionell medikamentös

216

Kapitel 12 · Methoden und medizinische Bedeutung der Gentechnologie

nur schwer oder gar nicht behandelbar waren. Als Beispiele sind hier Morbus Alzheimer und andere neurologische Erkrankungen, Autoimmunerkrankungen und septischer Schock zu nennen. Allein letzterer führt heute noch zum Tod von mehr Intensivpatienten als die Erkrankung wegen derer sie in die Klinik eingeliefert wurden. Ohne Übertreibung kann man also zusammenfassen, dass nach über 25 Jahren die angelaufene gentechnische Entwicklung von Medikamenten eine äußerst positive ist. Der wirkliche Erfolg ist allerdings sicherlich noch im Aufbau begriffen, wenn man bedenkt, dass die Entwicklungs- und Erprobungszeiten für ein Medikament in der Regel etwa 10 Jahre erfordern. Dabei kann man längerfristig auch mit einer Kostendämpfung im Gesundheitssektor rechnen, wenn auch die hohen Entwicklungskosten der ersten Medikamentegeneration hier nicht immer die primären Erwartungen erfüllt haben. Auch ist in der Zwischenzeit ein ebenso bedeutender Markt für gentechnische Laborprodukte für Forschung und Diagnostik entstanden.

12.2

12

Polymerasekettenreaktion (PCR)

! Eine sehr bedeutende Methode zur Amplifikation (Vermehrung) eines definierten DNA-Bereiches ist die Polymerasekettenreaktion (polymerase chain reaction, PCR).

Bei der In-vitro-Klonierung über PCR wird die ZielDNA durch Oligonukleotid-Primer selektioniert, die spezifisch an diese Sequenz binden, womit auch bereits eine entscheidende Voraussetzung angesprochen ist. Man muss zum Starten der Reaktion nämlich zumindest die Sequenzen der angrenzenden Bereiche der Ziel-DNA kennen. Dies beschränkt die Anwendung auf DNA-Abschnitte, die bereits teilweise, beispielsweise über In-vivo-Klonierungsmethoden, charakterisiert sind. Der große Vorteil der PCR-Methode liegt in der geringen Menge des benötigten Ausgangsmaterials (im Zweifelsfall nur eine einzige Kopie der Ziel-DNA). Nachdem die sequenzspezifischen Primer an die Ziel-DNA gebunden sind, kann eine hitzestabile DNA-Polymerase Kopien generieren, die wiederum als Vorlage für neue

Kopien in einer Kettenreaktion dienen, was der Methode den Namen Polymerasekettenreaktion gegeben hat. Ein Nachteil der Klonierung über PCR ist, dass nur DNA-Abschnitte in der Größenordnung von 0–5 kb Länge vermehrt werden können. Auch ist die Vermehrungsrate in einer einzigen PCR limitiert, zeitaufwändig und teuer.

12.2.1

Die Standard-PCR-Methode zur In-vitro-Klonierung

Mit der PCR möchte man normalerweise eine oder auch mehrere Ziel-DNA-Sequenzen aus einem heterogenen Pool von DNA-Sequenzen selektiv vermehren. Häufig besteht der Pool aus der gesamten genomischen DNA, oder auch aus cDNA, welche aus isolierter RNA und Konversion in DNA mit Hilfe des Enzyms Reverse Transkriptase (RT) gewonnen wurde (RT-PCR). In der Regel ist die gesuchte Sequenz in einer verschwindend geringen Menge im Gesamtpool vorhanden. Ausnahmen hiervon gibt es bei der RT-PCR, wenn die gesuchte Sequenz stark exprimiert wurde. Häufig hat die Ziel-Sequenz verglichen zum Gesamtpool jedoch einen Anteil von deutlich unter 1:1.000.000 in der Start-Population menschlicher genomischer DNA. Wie bereits erwähnt, benötigt man zur Erkennung der Ziel-DNA Sequenzinformation über sie, um zwei Oligonukleotidprimer (Amplimere) zu konstruieren. Diese sollten optimalerweise 18–25 Nukleotide lang sein und spezifisch für die Sequenzflankierung der Ziel-Sequenz. Dabei sollte es sich nicht um repetitive Sequenzeinheiten handeln, da ja das Ziel ist, spezifisch eine bestimmte DNA zu vermehren, d. h. die Primer müssen selektiv für ausschließlich die Ziel-Sequenz sein. Für ein ideales Primerdesign sollten noch weitere Faktoren beachtet werden: Der GC-Gehalt sollte zwischen 40 und 60% liegen mit einer gleichmäßigen Verteilung aller vier Basen. Die Schmelztemperatur (Temperatur, welche die Hydrogenbindung der Komplementärstränge bricht und diese separiert) für die beiden Primer sollte nicht mehr als 5°C und die Schmelztemperatur zwischen Primern und Amplifikationsprodukt sollte nicht mehr als 10°C differieren. Der Grund für solche Schmelztemperaturunterschiede liegt darin, dass GC-Basenpaare mehr

217 12.2 · Polymerasekettenreaktion (PCR)

Hydrogenbindung als AT-Basenpaare haben und daher Stränge mit hohem CG-Gehalt schwieriger zu separieren sind. Die 3´-Sequenz eines Primers sollte eine genaue Paarung erlauben, weiterhin nicht komplementär zur Sequenz irgendeiner Region des anderen Primers sein, und schließlich sollten selbstkomplementäre Sequenzen nicht größer als drei bp sein. Wenn nun eine entsprechende hitzebeständige Polymerase sowie als DNA-Vorstufen die vier Desoxynukleotidtriphosphate dATP, dCTP, dGTP und dTTP vorhanden sind, kann die Reaktion gestartet werden. Anschließend werden die drei folgenden Prozessschritte in einer Kettenreaktion durchlaufen. 4 Denaturierung: Für menschliche DNA bei 93–95°C 4 DNA-Synthese: In der Regel bei 70–75°C 4 Renaturierung: Abhängig von der Schmelztemperatur des zu erwartenden Doppelstranges zwischen 50 und 70 °C, in der Regel etwa 5°C unter der berechenbaren Schmelztemperatur.

Geschwindigkeit der Klonierung und Zykluszahl Mit der PCR können DNA-Sequenzen mit nicht zu aufwändiger Ausstattung in wenigen Stunden kloniert werden. Im Normalfall läuft die PCR 30 Zyklen mit Denaturierung, Synthese und Renaturierung. Ein einziger Zyklus dauert in der Regel 3–5 Minuten. Allerdings müssen die Oligonukleotidprimer entworfen und synthetisiert werden. Zur theoretischen Konstruktion der Primer gibt es SoftwareProgramme. Auch bieten Firmen die Synthese der üblichen Oligonukleotidprimer an.

Polymerasen und Fehlerkorrektur Die früher praktisch ausschließlich verwendete TaqPolymerase, welche von Thermus aquaticus, einem hitzebeständigen Bakterium heißer Quellen stammt, ist bis zu 94°C hitzebeständig und hat ihr Arbeitsoptimum bei 80°C. Allerdings besitzt sie keine 3´→ 5´Exonukleaseaktivität und damit keine Fehlerkorrekturmöglichkeit für falsch eingebaute Basen. Dies bedeutet, dass bei einer mittleren Sequenzlänge und 20 Vermehrungszyklen bereits sehr viele neue DNAStränge aufgrund eines Kopierfehlers ein falsches Nukleotid eingebaut haben, so dass das Endprodukt einer Mischung höchst ähnlicher aber nicht identischer DNA-Sequenzen entspricht. Durch Sequen-

12

zierung aller PCR-Produkte und deren Vergleich, da ja die falschen Basen rein zufällig eingebaut werden, lässt sich dann die richtige Sequenz finden. Dies bedeutet aber weitere zusätzliche und aufwändige Untersuchungen, in der Regel mit In-vivo-Klonierungen und Sequenzierungen. Erst dann kann der weitere Experimentalschritt mit der dann richtigen (Consensus)-Sequenz folgen. Die Ungenauigkeit der DNA-Replikation kann jedoch seit einiger Zeit weitgehend vermieden werden. Es existieren nämlich heute alternative Enzyme, wie z. B. die Pfu-Polymerase aus Pyrococcus furiosus, die Exonukleaseaktivität besitzen und eine Fehlerkorrektur durchführen. Hiermit kann die Fehlerrate auf etwa 1/10 der ursprünglichen reduziert werden. Eine weitere Modifikation ist die Verwendung von zwei Typen hitzestabiler Polymerasen, um ein Optimum zwischen Polymerase- und Exonukleaseaktivität zu erzielen. Letztere Variante wird vor allem in der Longrange PCR, einem speziellen Protokoll für lange DNA-Sequenzen verwendet (. Abb. 12.5).

12.2.2

Bedeutung

Die PCR-Methode hat sich als die wichtigste methodische Neuerung seit der Klonierung an sich erwiesen. Der große Vorteil der PCR ist, wie bereits erwähnt, dass nur geringe Mengen des Ausgangsmaterials benötigt werden (im Zweifelsfall nur ein einziger relevanter DNA-Abschnitt). Die PCR ist von großer diagnostischer Bedeutung in vielen Bereichen der Medizin. So wird sie sehr häufig zum Nachweis von Infektionserkrankungen eingesetzt. In der humangenetischen Diagnostik dient sie dem Nachweis von Genmutationen (7 Kap. 12.3). Beispiel hierfür ist das Gen für Mukoviszidose (CFTR-Gen). Das Genprodukt gehört zu einer Familie von Membranproteinen. Das unveränderte Protein ist am Transport von Chloridionen durch die Membran beteiligt. Die häufigste Mutation im CFTR-Gen ist die sogenannte δ-F-508-Mutation, eine Deletion von 3 Basenpaaren im Exon 10 von insgesamt 27 Exons. Dies hat zur Folge, dass die Codierung der Aminosäure Phenylalanin in Position 508 der Aminosäurekette ausfällt. In Deutschland findet man die δ-F-508-Mutation in etwa 70% der Mukoviszidosefälle.

218

Kapitel 12 · Methoden und medizinische Bedeutung der Gentechnologie

. Abb. 12.5. Prinzip der Polymerasekettenreaktion (PCR)

12

Auch HIV aus dem Blut von Patienten mit AIDSVerdacht kann mittels PCR nachgewiesen werden. Andere große Einsatzgebiete sind die Typisierung der Gene für Gewebeverträglichkeit vor Organverpflanzungen und die Anwendung in der forensischen Medizin. Bei letzterer kann aus kleinsten Spuren von Blut, Sperma, Speichel, oder anderen zellulären Spuren über DNA-Muster eine individuelle Zuordnung zu Personen vollzogen werden.

12.3

Direkter und indirekter Nachweis von Genmutationen

! Durch die Genotypendiagnostik können monogene Erkrankungen sowohl prä- als auch postnatal auf DNA-Ebene nachgewiesen oder ausgeschlossen werden.

Restriktionsenzyme zerlegen die DNA in Fragmente. Nachdem sie über die Agarosegelelektrophorese aufgetrennt und zu Einzelsträngen denaturiert sind, lassen sich mit Hilfe von DNASonden diskrete Fragmente sichtbar machen. Dabei kann man die Länge eines DNA-Fragmentes mittels DNA-Fragmenten bekannter Länge ermitteln.

Man benutzt für die Genotypendiagnostik DNASonden, die mit Restriktionsfragmenten variierender Länge hybridisieren. Für die Längenvariabilität hat man den Begriff Restriktionsfragmentlängen-Polymorphismus (RFLP) geprägt. RFLPs entstehen durch die Nukleotidsequenzvariabilität in der DNA des Menschen. Durch Veränderungen auf DNA-Ebene, z. B. einzelne Basenpaarsubstitutionen, kleinere Deletionen oder Insertionen, kann eine primär vorhandene Schnittstelle für ein Restriktionsenzym verändert werden (. Abb. 12.6). Derzeit sind mehrere Hundert RFLPs der humanen DNA bekannt.

12.3.1

Direkte Genotypendiagnostik

Man unterscheidet zwischen direkter und indirekter Genotypendiagnostik. Bei der direkten Methode erfolgt der Nachweis eines defekten Gens direkt durch einen intragenen RFLP. Ein RFLP kann immer dann zur Diagnostik benutzt werden, wenn er innerhalb eines Gens liegt, das bei einer genetisch bedingten Erkrankung mutiert ist. Dabei muss der RFLP nicht notwendigerweise in ursächlichem Zusammenhang mit der Erkrankung stehen. Durch Untersuchung der Familienmitglieder muss daher die Verteilung der RFLP-Allele geprüft werden. Man

219 12.3 · Direkter und indirekter Nachweis von Genmutationen

12

. Abb. 12.6. Entstehung eines RestriktionsfragmentlängenPolymorphismus (S: Sonde; X, Y: Fragmente). Bei Proband A sind bei einem gegebenen Restriktionsenzym 3 Schnittstellen

vorhanden, gleichzeitig ist er für die Schnittstellen homozygot; Proband B hat nur 2 Schnittstellen und ist ebenfalls homozygot, Proband C ist heterozygot

kann hier von einer Allelsituation sprechen, weil man die unterschiedlich großen Fragmente wie die verschiedenen Allele eines Genorts auffassen kann. Die RFLP-Allele markieren dabei direkt das normale bzw. das mutierte Gen (. Abb. 12.7a). Man kann Genmutationen auch dann direkt nachweisen, wenn die Mutation eine Schnittstelle für das Restriktionsenzym zerstört oder neu schafft. So entstehen Fragmente, die für das normale bzw. mutierte Gen charakteristisch sind. Eine zweifelsfreie Diagnostik ist möglich, wenn die Genmutation bei allen Trägern immer an exakt der gleichen Position des Gens vorhanden ist (. Abb. 12.7b). Synthetische Oligonukleotidsonden sind eine weitere Möglichkeit, Genmutationen direkt nachzuweisen, wobei man üblicherweise mit zwei verschiedenen Oligonukleotiden arbeitet: Das eine hybridisiert mit dem entsprechenden Bereich des Normalgens, das andere mit dem des mutierten Gens. Dabei reicht unter stringenten Bedingungen die Basenveränderung zwischen beiden Genen aus, um eine Hybridisierung mit der jeweils anderen Sonde zu verhindern. Voraussetzung ist allerdings, dass im kritischen Bereich kein genetischer Polymorphismus vorhanden ist (. Abb. 12.7c). Deletionen können nachgewiesen werden, wenn sie

zu einem Verlust des Restriktionsfragments führen (. Abb. 12.7d).

12.3.2

Indirekte Genotypendiagnostik

Die indirekte Genotypendiagnostik muss man dann anwenden, wenn das Gen für eine Erbkrankheit nicht direkt untersucht werden kann, die chromosomale Lokalisation aber bekannt ist. Man sucht Sonden, die einen RFLP erkennen, der mit dem relevanten Gen gekoppelt ist. Allerdings muss die Möglichkeit eines Crossing-over berücksichtigt werden, das in seltenen Fällen auch bei enger Kopplung vorkommen kann, sodass die indirekte Genotypendiagnostik immer eine Wahrscheinlichkeitsrechnung ist (. Abb. 12.7e). Die indirekte DNA-Diagnostik verlangt zwingend eine Familienuntersuchung. Allerdings können durch die alleinige Untersuchung der Restfamilie, z. B. wenn der Indexpatient verstorben ist, nicht in jedem Fall zuverlässige Aussagen gemacht werden. Ebenso ist die Methode nicht für eine Diagnosestellung bzw. Bestätigung einer Verdachtsdiagnose geeignet. Voraussetzung für die indirekte, pränatale DNA-Diagnostik ist die Eignung der betroffenen Familie für die Untersuchung.

220

Kapitel 12 · Methoden und medizinische Bedeutung der Gentechnologie

12 . Abb. 12.7a–e. Genotypendiagnostik mit Hilfe von DNASonden. a Normalgen (N) und mutiertes Gen (M), S: Sonde, ↓ Schnittstellen des Restriktionsenzyms; rechts: Southernblot-Hybridisierung mit Genotypen, N: Normalgen, M: mutiertes Gen, H: heterozygoter Genotyp. b Genmutation zerstört

eine Schnittstelle. c Oligonukleotidsonden mit Sonde für das Normalgen (n) und Sonde für das Defektgen (d) und deren spezifische Bindung. d Deletion mit Verlust eines Restriktionsfragments. e Indirekte Genotypendiagnostik mit RFLP und gekoppeltem Gen

Bei autosomal-rezessiven Erkrankungen werden die Eltern, der Patient und ggf. die gesunden Geschwister untersucht. Die Familie ist dann wirklich informativ, wenn die Eltern heterozygot und der Patient homozygot für das RFLP-Allel ist. Liegt eine andere Konstellation vor, dann ist nur eine begrenzte Aussage möglich. Bei den autosomal-dominanten Erkrankungen sollten drei Generationen und ggf. eine große Geschwisterreihe des Patienten untersucht werden. Die Familie ist informativ, wenn der Patient für die RFLPs heterozygot ist. Bei einer X-chromosomal-rezessiven Erkrankung sollten der Vater und der Großvater mütterli-

cherseits mit untersucht werden. Ist der Patient einer Familie nicht mehr am Leben, kann u. U. durch die Untersuchung der gesunden Brüder die Anlageträgerschaft der Frau abgeklärt werden.

12.3.3

Diagnostik über PCR

Die PCR-Methode ermöglicht, das DNA-Fragment mit einer Mutation schnell zu vervielfältigen. An die PCR schließen sich dann verschiedene Varianten der Mutationsbestimmung an. Auch bietet die PCRMethode eine Alternative zu den zeitaufwändigen RFLP-Untersuchungen. Man kann RFLPs leicht

221 12.4 · Genetische Beratung und vorgeburtliche Diagnostik

durch PCR charakterisieren. Hierzu kann man z. B. Primer verwenden, die zu den Sequenzen neben einer Restriktionsschnittstelle passen, deren Veränderung das mutierte Allel charakterisiert. Nach Amplifikation und Schneiden mit Restriktionsenzym kann man die Fragmente elektrophoretisch auftrennen und so mutiertes und Normalallel leicht unterscheiden.

12.4

Genetische Beratung und vorgeburtliche Diagnostik

12.4.1

Häufigkeit genetischer Erkrankungen

Genetische Krankheiten finden sich bei ca. 3% aller Neugeborenen. Es gibt viele genetische Erkrankungen, die erst postnatal auftreten und manche, wie Chorea Huntington, die sich erst im mittleren Erwachsenenalter zeigen. In den Ländern, in denen Infektionskrankheiten und Erkrankungen aufgrund einer Mangel- bzw. Fehlernährung auf ein Minimum reduziert sind, leiden etwa ein Drittel der Patienten von Kinderkrankenhäusern an einer genetisch bedingten Erkrankung. Bei etwa 10–20% der Erwachsenen mit einer chronischen Krankheit liegt eine genetische Komponente zugrunde (. Übersicht 12.3).

12.4.2

Genetische Familienberatung

Angesichts der raschen Entwicklung und der verbesserten Untersuchungsmethoden der genetischen Diagnostik, ist heute die genetische Beratung einschließlich prä- und postnataler Diagnostik Teil der

. Übersicht 12.3. Häufigkeit genetischer Erkrankungen Neugeborene Chromosomenkrankheiten

0,5–0,7%

Monogene Erbleiden

1,0–2,0%

Klinisch relevante Fehlbildungen

2,0–3,0%

Patienten In der ärztlichen Praxis

8,0%

Im Krankenhaus

25,0%

Todesfälle im Kindesalter

30,0–40,0%

12

medizinischen Versorgung der Bevölkerung geworden. Als außerordentlich wichtig hat sich die Einführung der relativ sicheren und verlässlichen Methoden der Pränataldiagnostik erwiesen. Die gezielte pränatale Diagnostik mit Hilfe von Chromosomenanalysen, biochemischen Untersuchungen oder Ultrastrukturanalysen der Haut wird heute durch molekulargenetische Analysen bei einigen genetisch bedingten Erkrankungen ergänzt. Die Zahl der Paare wächst, die sich bei der Familienplanung beraten lassen und gesunde Kinder nicht mehr dem Zufall überlassen. Heute wird die pränatale Chromosomenuntersuchung bei über 50% der Schwangeren ab 35 Jahren in Anspruch genommen. ! Genetische Beratung beinhaltet medizinisch-genetische, psychosoziale sowie ethische Aspekte.

Beratungsgespräch Zunächst handelt es sich um ein Informationsgespräch zwischen den Ratsuchenden und einem oder einer Gruppe von genetischen Beratern. Je nach Art der Probleme und der vorhandenen Vorkenntnisse müssen sich die Teilnehmer eventuell mehr als einmal treffen. Die häufigste Art des Beratungsgesprächs ist die non-direktive Methode, bei der der Berater dem Ratsuchenden möglichst viele Informationen vermittelt. Aufgrund dieser Informationen kann dann eine Entscheidung getroffen werden. Eine Familie, in der einer der Eltern oder eines der Kinder an einer genetisch bedingten Krankheit leidet, hat Schwierigkeiten mit der Integration in der Gesellschaft; es gibt dabei mehrere Probleme ethischer, psychologischer und ökonomischer Natur. Daher müssen bei einer genetischen Beratung die psychosozialen Aspekte unbedingt mit berücksichtigt werden. Das »Ad hoc-Committee on Genetic Counselling« der WHO gibt für die genetische Beratung die folgende Definition: »Genetische Beratung ist ein Kommunikationsprozess, der sich mit menschlichen Problemen befasst, die mit dem Auftreten oder dem Risiko des Auftretens einer genetischen Erkrankung in einer Familie verknüpft sind. Dieser Prozess umfasst den Versuch einer oder mehrerer entsprechend ausgebildeter Personen, dem Individuum oder der Familie zu helfen,

222

Kapitel 12 · Methoden und medizinische Bedeutung der Gentechnologie

4 die medizinischen Fakten einschließlich der Diagnose des mutmaßlichen Verlaufs und der zur Verfügung stehenden Behandlung zu erfassen, 4 den erblichen Anteil der Erkrankung und das Wiederholungsrisiko für bestimmte Verwandte zu begreifen, 4 die verschiedenen Möglichkeiten, mit dem Wiederholungsrisiko umzugehen, zu erkennen, 4 eine Entscheidung zu treffen, die ihrem Risiko, ihren familiären Zielen, ihren ethischen und religiösen Wertvorstellungen entspricht und in Übereinstimmung mit dieser Entscheidung zu handeln und 4 sich so gut wie möglich auf die Behinderung des betroffenen Familienmitglieds und/oder auf ein Wiederholungsrisiko einzustellen.«

Indikation zur Beratung

12

Wer bzw. welche Paare sollten sich genetisch beraten lassen? Bei allen, die ein erhöhtes Risiko für ein Kind mit einer genetischen Erkrankung haben, ist eine genetische Beratung indiziert. Eine genetische Beratung ist angezeigt: 4 wenn einer oder beide Partner an einer Krankheit leiden, für die eine genetische Ursache vermutet wird, 4 wenn in der Verwandtschaft eines oder beider Partner eine möglicherweise genetische Krankheit aufgetreten ist, 4 wenn einer oder beide Partner als Überträger eines genetischen Defektes nachgewiesen sind,

4 wenn Partner miteinander verwandt sind (z. B. Vetter/Kusine), 4 wenn vor oder während der Schwangerschaft therapeutische Bestrahlungen oder die Einnahme mutagener oder teratogener Medikamente erfolgt sind, 4 wenn durch die Einnahme von Suchtmitteln (z. B. Alkohol, Drogen) oder durch eine frische Virusinfektion während der Schwangerschaft ein erhöhtes Risiko für die Fehlentwicklung des werdenden Kindes auftreten könnte, 4 bei allen Frauen, die sich über die möglichen Risiken bei erhöhtem Alter der Mutter informieren wollen, 4 bei gesunden Paaren aus unauffälligen Familien, denen eines oder mehrere Kinder mit Erbleiden geboren wurden, 4 bei Aborten ohne gynäkologische, endokrinologische oder immunologische Ursachen.

12.4.3

Ursachen genetisch bedingter Erkrankungen

Sehr häufig geht es bei der Beratung um gesunde Ehepaare mit einer unauffälligen Familienanamnese, denen ein Kind mit einer genetisch bedingten Erkrankung geboren wurde (. Übersicht 12.4). Es kann sich dabei um eine genetische Erkrankung mit monogenem Erbgang handeln, die autosomal-rezessiv, -dominant oder X-chromosomal vererbt wird. Heute kennt man über 15.000 monogene Krank-

. Übersicht 12.4. Wiederholungsrisiko genetisch bedingter Erkrankungen bei unterschiedlichen Ursachen

Genetische Grundlage

Risiko

Pränatale Diagnose

Autosomal-rezessiv

25%

Manchmal möglich

Autosomal-dominant (Neumutation)

0%

Selten möglich

X-chromosomal-rezessiv

Männlich 50%, weiblich ≈0% (bis auf wenige Ausnahmen)

Selten möglich, Geschlecht immer diagnostizierbar

Numerische Chromosomenaberrationen (z. B. Trisomie 21)

Leicht erhöht (1–2%)

Möglich

Strukturelle Chromosomenaberrationen

Manchmal stark erhöht (bis 100%)

Möglich

Multifaktoriell

Empirische Risikoziffern

Bei einzelnen Anomalien möglich

Fehlbildungen unbekannter Genese

?

Selten möglich

Nicht erbliche Fehlbildungen (durch Teratogene verursacht)

Nicht erhöht (wenn Teratogen ausgeschaltet)

Bei einzelnen Fehlbildungen möglich

223 12.4 · Genetische Beratung und vorgeburtliche Diagnostik

heiten und/oder Merkmale. Es kann aber auch eine Krankheit ohne einfachen Mendelschen Erbgang, jedoch mit genetischem Einfluss vorliegen; man spricht hier von einer multifaktoriellen Erkrankung. Die Krankheit des Kindes kann aber auch durch eine Neumutation hervorgerufen sein. Auch eine strukturelle bzw. numerische Chromosomenstörung kann bei dem Kind vorliegen. Schließlich kann es sich um eine pränatale Schädigung durch teratogene Faktoren wie Infektion, Strahlenbelastung, chemische Noxen wie Alkoholabusus, Medikamenteneinnahme usw. handeln, die nicht erblich bedingt ist. Für eine präzise genetische Beratung ist zunächst eine exakte Diagnose erforderlich. Mit einer Verdachtsdiagnose bzw. Diagnosen, die als Oberbegriffe gelten, ist eine genetische Beratung unmöglich.

Notwendige Daten Welche Daten sind für eine genetische Beratung erforderlich? Bevor man einen Arzt oder genetischen Berater aufsucht, sollte man versuchen, möglichst viele Informationen über die Familienmitglieder einzuholen, die eine genetische Krankheit haben oder hatten: 4 Name, Geburtsort und -datum, 4 eine vollständige Familiengeschichte, 4 ärztliche Unterlagen mit allen Untersuchungsbefunden und Diagnosen, 4 Name und Adresse der behandelnden Ärzte und/oder Krankenhäuser, 4 Fotografien in verschiedenen Altersstufen, 4 falls verstorben, Alter und Todesursache mit Obduktionsbefund.

12.4.4

Praktisches Vorgehen bei einer genetischen Beratung

Ein Stammbaum wird aufgezeichnet, der alle Kinder des Paares, Geschwister des Ehepaares mit deren Kindern, die Eltern, die Geschwister der Eltern mit ihren Nachkommen sowie die Großeltern umfasst. Aus dem Stammbaum sollen auch die Geburtenreihenfolge, Fehl- und Totgeburten und die verstorbenen Kinder mit Todesursache erkennbar sein. Die Generationen werden, ausgehend von der ältesten Generation, mit römischen Ziffern bezeichnet. Innerhalb der Generation wird von links nach rechts durchgehend arabisch nummeriert. Die Möglichkeit der Verwandtschaft zwischen den Ehepartnern bzw. den Eltern eines Probanden ist gezielt zu erfragen. Dazu gehört auch die Frage nach den Familiennamen der Großeltern beiderseits, die Abstammung aus gleichen oder benachbarten Orten sowie die ethnische Herkunft. Von großer Bedeutung sind auch embryo- bzw. fetalpathologische Befunde, vor allem, wenn bei einem vorangegangenen Kind multiple Fehlbildungen vorlagen. Anhand dieser Befunde und Röntgenaufnahmen kann manchmal nachträglich eine genetische Diagnose gestellt werden. Nachdem die Diagnose gesichert und die Familienanamnese sowie die Stammbaumanalyse erhoben ist, kann das Wiederholungsrisiko ermittelt und berechnet werden. Damit ist aber die genetische Beratung nicht abgeschlossen. Die besondere Aufgabe des beratenden Arztes besteht darin, das Wiederholungsrisiko zu interpretieren und den Betroffenen verständlich zu machen, sodass sie damit umgehen und eine Entscheidung treffen können. Dabei können durch Missverständnisse zusätzliche Probleme entstehen. Wichtig ist auch, über die Prognose und Therapiemöglichkeiten der Erkrankung zu sprechen.

12.4.5 Grundsätzlich unterscheidet sich die genetische Beratung nicht von der Anamneseerhebung bei einer klinischen Untersuchung. Eine sorgfältige und detaillierte Erhebung der Familienanamnese ist die Grundlage für eine genetische Beratung. Auf keinen Fall darf darauf verzichtet werden, auch wenn der Ratsuchende selbst erkrankt ist oder der Erbgang einer Erkrankung gesichert ist.

12

Psychosoziale und ethische Aspekte der genetischen Beratung

Genetische Krankheiten sind überwiegend durch ihre invalidisierenden Eigenschaften typisch. Sie bedeuten ein schwerwiegendes Handicap, das seinen Träger das ganze Leben begleitet und seine Chancen im Alltag wesentlich beschränkt.

224

Kapitel 12 · Methoden und medizinische Bedeutung der Gentechnologie

Psychosoziale Auswirkungen Die Auswirkungen einiger genetischer Krankheiten bzw. Anomalien belasten mit zunehmender Entwicklung des Kindes die soziale Beziehung zwischen einem Gesunden und dem Betroffenen immer stärker. Ferner bestehen technische Schwierigkeiten bei der Pflege des behinderten Kindes. Leider ist es kein Geheimnis mehr, dass Elternpaare zur Scheidung neigen und dass es der Vater ist, der nicht selten seine Frau und das kranke Kind verlässt. Solche Probleme sind häufige Praxis in der Sprechstunde des genetischen Beraters. Der Genetiker übernimmt hier auch die Rolle eines Ratgebers. Die Fragen der Ratsuchenden sind auf den ersten Blick rein naturwissenschaftlich-medizinischer Natur. Bei der Beratung werden zunächst die biologischen Fakten erklärt und die Entstehung einer genetischen Erkrankung sowie die Risiken in der Familie erläutert. Die Möglichkeiten der pränatalen Diagnose und eventuellen Therapie, aber auch andere Alternativen wie Verzicht auf Kinder werden mit Hinweis auf verschiedene prophylaktische Maßnahmen, heterologe Insemination und Adoption besprochen.

12

! Manche glauben, dass die Fragen der Ratsuchenden rein sachlich zu beantworten sind. Sie vertreten die Auffassung, dass sich genetische Beratung auf die Ermittlung des Krankheitsrisikos für die Nachkommen und eventuell die Frage nach pränataldiagnostischen Möglichkeiten beschränken soll. Eine genetische Beratung hat jedoch mit menschlichem Verhalten zu tun und beinhaltet neben den naturwissenschaftlich-medizinischen Fragen auch psychologische Aspekte.

Häufig entstehen bereits durch das Auftreten einer genetischen Krankheit in einer Familie Zorn, Empörung, Ängste und Schuldgefühle. Die Partner machen sich gegenseitig Vorwürfe. Nicht selten wird das Vorhandensein einer genetischen Krankheit als Schande empfunden. Bis sich die verängstigte und besorgte Familie entschließt, eine genetische Beratungsstelle aufzusuchen, vergehen oft Monate. Nicht nur die Schwere der Krankheit, sondern psychische, psychosoziale und soziokulturelle Faktoren bestimmen weitgehend, was als Problem wahrgenommen wird. Oft können die entstandenen Probleme bzw.

Konflikte nicht bei einem einzigen Beratungsgespräch zu Ende diskutiert werden und machen die Vereinbarung eines weiteren Termins notwendig.

Ethische Probleme Heute ist es möglich, eine Reihe von Krankheiten sicher pränatal zu diagnostizieren. Danach kann im Falle eines pathologischen Befundes ein Schwangerschaftsabbruch in Erwägung gezogen werden. Damit entstehen erhebliche ethische Probleme. Natürlich liegt die Entscheidung für eine pränatale Diagnose und einen damit verbundenen Schwangerschaftsabbruch bei den Eltern, jedoch sollte sich der beratende Arzt seiner Verantwortung nicht entziehen. Er trägt – wie in jedem anderen medizinischen Bereich – nur seinem Patienten bzw. dem Ratsuchenden gegenüber eine Verantwortung. Er muss die Fragen des Ratsuchenden beantworten und ihm helfen, für sich und seine Familie eine richtige Entscheidung zu treffen, die ihrer persönlichen Situation entspricht und ethisch vertretbar ist. Nach diesem Konzept handelt die genetische Beratung nur im Sinne des Ratsuchenden und seiner Familie und nicht im Interesse der Gesellschaft. Im Mittelpunkt der Beratung stehen die individuellen Probleme, die durch die Geburt eines Kindes mit einer genetischen Erkrankung oder durch ein erhöhtes Risiko eines Erbleidens für den Ratsuchenden und/oder seine Nachkommen entstehen. Ursprünglich hat sich die genetische Beratung aus dem eugenischen Gedanken entwickelt, nachdem die Erbanlagen der Gesamtbevölkerung verbessert werden sollten. Zunächst waren viele Wissenschaftler vom Gedanken der Eugenik fasziniert. Später distanzierten sich die seriösen Wissenschaftler aufgrund der eugenischen Maßnahmen im nationalsozialistischen Deutschland davon. Die Idee, die Häufigkeit der krankmachenden Anlagen in einer Bevölkerung allein durch genetische Beratung zu reduzieren und dadurch den Genpool einer Gesellschaft zu verbessern, ist aus verschiedenen Gründen nicht realisierbar und auch nicht das erklärte Ziel. Bei einer genetischen Beratung dürfen die eugenischen Gesichtspunkte nicht ins Spiel kommen. Genetische Beratung bleibt ein Angebot, das nur freiwillig wahrgenommen werden sollte. Eine Pränataldiagnostik und eine genetische Beratung müssen letztlich eine schwangerschaftser-

225 12.4 · Genetische Beratung und vorgeburtliche Diagnostik

haltende Funktion besitzen. Die genetische Beratung verfolgt also keine eugenischen Ziele, obwohl präventionsmedizinische Maßnahmen in der genetischen Beratung und Eugenik sehr nah aneinander grenzen. Ein weiteres Problem entsteht dadurch, dass man heute manche Krankheiten, die erst im Laufe des Lebens zum Ausbruch kommen werden, prädiktiv diagnostizieren kann. Das Problem liegt darin, dass für viele dieser Krankheiten fehlende Therapiemöglichkeiten bestehen und diese Tatsache bei den Ratsuchenden zu Konflikten führen kann. In einer solchen Situation müssen sich die Ratsuchenden und der Berater mit den Problemen ausführlich auseinandersetzen. Ein positiver Befund in der präsymptomatischen Phase führt zu der sicheren Erkrankung, die zu einem unbekannten Zeitpunkt des Lebens auftreten wird. Hier eröffnet sich ein neues ethisches Problemfeld. ! Aus einer prädiktiven Diagnostik gewonnene Daten dürfen nicht an Dritte weitergegeben werden.

12.4.6

Pränataldiagnostik

Vorgeburtliche Diagnostik genetischer Erkrankungen wurde möglich, als im Jahre 1966 die Kultivierung der im Fruchtwasser befindlichen fetalen Zellen gelang. Heute ist es möglich, Chromosomenstörungen sowie eine Reihe anderer genetischer Krankheiten und Fehlbildungen beim Feten durch Proteinbestimmung, molekulargenetische Analyse oder Ultrastrukturuntersuchungen der

12

Haut zu erkennen. Durch diese Entwicklung in der medizinischen Genetik haben sich die Inhalte der genetischen Beratungen und die Entscheidungsmöglichkeiten der Ratsuchenden verändert. Pränatale Diagnostik ist inzwischen ein wesentlicher Bestandteil der Beratung geworden. In den letzten Jahren sind die Methoden der Materialentnahme und die Untersuchungsverfahren wesentlich verbessert und neu entwickelt worden. Die Inanspruchnahme der pränatalen Diagnostik ist freiwillig. Vor der Anwendung sollte eine adäquate individuelle Beratung erfolgen, damit die Schwangere und ihre Familie eine verantwortungsbewusste Entscheidung treffen können. Bei der Beratung sollten folgende Punkte angesprochen werden: 4 Schwere der zu diagnostizierenden Krankheit, 4 Sicherheit und Fehlerquote der Untersuchungsmethode, 4 Risiken für Mutter und Kind, 4 prä- und postnatale Therapiemöglichkeiten und deren Erfolgschancen. Die pränatale Diagnostik impliziert im Falle eines pathologischen Befundes nicht zwangsläufig einen Schwangerschaftsabbruch.

Methoden der Pränataldiagnostik Die verschiedenen Methoden der Pränataldiagnostik sind in . Übersicht 12.5 zusammengestellt. Die Fruchtwasserpunktion (. Abb. 12.8) kann in der 14./15. Schwangerschaftswoche und die Chorionzottenbiopsie (. Abb. 12.9) ab der 8. Schwangerschaftswoche durchgeführt werden, wird aber meist

. Übersicht 12.5. Methoden der pränatalen Diagnostik Invasive Methoden Amniozentese, Chorionzottenbiopsie:

α-Fetoproteinbestimmung, andere biochemische Untersuchungen, Chromosomenanalyse, virologische Untersuchungen, hämatologische Untersuchungen, Gerinnungsanalyse, u. U. DNA-Diagnostik

Fetoskopie:

Äußere Fehlbildungen, Hautbiopsie, Leberbiopsie

Nabelschnurpunktion:

Äußere oder innere Organfehlbildungen, Reifegrad

Nichtinvasive Methoden Mütterliches Serum:

α-Fetoproteinbestimmung, β-HCG, Östriol, Antikörperbestimmung

Fetale Zellen

Chromosomenanalyse

Aus mütterlichem Blut:

DNA-Diagnostik

226

Kapitel 12 · Methoden und medizinische Bedeutung der Gentechnologie

12 . Abb. 12.8. Fruchtwasserpunktion

in der 10. Woche vorgenommen. In den fetalen Zellen können nicht nur die Chromosomenaberrationen, sondern auch eine Anzahl von anderen Krankheiten mit Hilfe biochemischer Analysen oder molekulargenetischer Untersuchungen diagnostiziert werden. Schwere Fehlbildungen des Kindes werden heute bei der Ultraschalluntersuchung während der frühen Schwangerschaft entdeckt. Bei schwerwiegender Erkrankung kann sich die Schwangere entsprechend § 218 StGB entscheiden, die Schwangerschaft nicht fortzusetzen.

Indikation für eine Pränataldiagnose Eine vorgeburtliche Untersuchung ist indiziert, wenn ein erhöhtes Risiko für eine bestimmte genetische Erkrankung vorliegt, die in den fetalen

Zellen, in der Amnionflüssigkeit, im Blut, in der Haut oder in der Morphologie des Feten erkennbar ist. Die häufigste Indikation ist das sogenannte Altersrisiko. Das erhöhte elterliche Alter, besonders das Alter der Mutter über 35 Jahren ist in den letzten Jahren einer der häufigsten Gründe für pränatale Chromosomendiagnostik geworden. Die Häufigkeit der Altersverteilung von Chromosomenstörungen ist in . Übersicht 12.6 zusammengestellt. Auch nach der Geburt eines Kindes mit einer freien Trisomie ist das Risiko für das Auftreten einer numerischen Chromosomenaberration bei jedem weiteren Kind im Vergleich zu gleichaltrigen Müttern erhöht, wobei zu erwähnen ist, dass bei einer weiteren Schwangerschaft die

227 12.4 · Genetische Beratung und vorgeburtliche Diagnostik

12

. Abb. 12.9. Chorionzottenbiopsie

. Übersicht 12.6. Altersspezifische Häufigkeit (%) für Chromosomenstörungen zum Zeitpunkt der Geburt

Mütterliches Alter

Trisomie 21

Gesamtabnormität

35

0,2

0,6

36

0,3

0,7

37

0,4

0,8

38

0,5

1,0

39

0,7

1,2

40

1,0

1,6

41

1,3

2,0

42

1,5

2,6

43

1,5

3,3

44

3,2

4,2

45

4,0

5,4

46

5,0

7,0

gleiche Chromosomenstörung nicht wieder auftreten muss. Elterlich balancierte chromosomale Strukturveränderungen können zu einem erhöhten Vorkommen von nicht balancierten strukturellen Chromosomenaberrationen beim Kind führen. Eine Reihe von monogenen Krankheiten mit unterschiedlicher Vererbung kann heute pränatal diagnostiziert werden. Durch Bestimmung des α-Fetoproteins und der Acetylcholinesterase können mit einer Treffsicherheit von über 90% Neuralrohrdefekte erkannt werden. . Übersicht 12.7 zeigt die gesamten Indikationen für eine Pränataldiagnostik.

228

Kapitel 12 · Methoden und medizinische Bedeutung der Gentechnologie

. Übersicht 12.7. Indikationen für eine invasive pränatale Diagnostik Amniozentese und Chorionzottenbiopsie

Erhöhtes mütterliches Alter Vorangegangenes Kind mit einer Chromosomenaberration Balancierte Translokation bei einem Elternteil Risiko einer pränatal diagnostizierbaren monogenen Erkrankung Risiko eines Neuralrohrdefektes bzw. einer Anenzephalie

Fetoskopie

Risiko eines genetisch bedingten Hautleidens

Nabelschnurpunktion

Risiko einer fetalen Infektion, z. B. bei Rötelninfektion der Mutter während der Schwangerschaft

Risiko einer seltenen Stoffwechselkrankheit, die nur in Leberzellen nachweisbar ist

Bestätigung einer vorangegangenen Untersuchung aus Fruchtwasser oder Chorionzotten Risiko von Krankheiten, die nur im fetalen Blut diagnostiziert werden können

In Kürze

Zu den gentechnischen Methoden

12

4 Ein wesentliches Werkzeug der Molekularbiologie sind Restriktionsendonukleasen (Restriktionsenzyme), die spezifische DNA-Sequenzen erkennen und schneiden. Diese Fragmente kann man für Klonierungsexperimente nutzen. 4 Die Restriktionsenzyme schützen normalerweise Bakterien, indem sie Fremd-DNA von Bakteriophagen, deren Methylierungsmuster nicht mit dem der Wirtszellen übereinstimmt, durch zerschneiden zerstören. 4 Viele solcher Restriktionsenzyme mit sehr verschiedener Sequenzspezifität konnten isoliert werden. 4 Es gibt Restriktionsenzyme, die DNA in beiden Strängen an derselben Stelle schneiden, also stumpf und solche die kohäsive Einzelstränge schneiden (sticky ends). 4 Man kann auch mRNA mit Hilfe des Enzyms Reverse Transkriptase in copyDNA (cDNA) umschreiben und diese klonieren. 4 Die Grundlage der Klonierung besteht im Verknüpfen von DNA-Fragmenten mit einem Replikon (z. B. Plasmide, Viren, Cosmide) und Verbringen der Hybridmoleküle in eine geeignete Wirtszelle, die durch Zellteilung proliferiert. Da das Replikon in der Zelle replizieren kann, wird die Ziel-DNA amplifiziert. 4 Eine häufig verwendete Methode zur Identifizierung einer gesuchten DNA-Sequenz ist die

6

4

4

4

4

Southern-blot-Hybridisierung. DNA-Fragmente aus einem Elektrophoresegel werden auf eine Membran oder einen Filter aus Nylon oder Nitrozellulose übertragen. Über Hybridisierung mit radioaktiv markierter DNA oder RNA wird die gesuchte DNA-Sequenz identifiziert. Eine weitere bedeutende Methode zur Amplifikation einer definierten DNA-Sequenz ist die PCR. Sequenzspezifische Primer werden an die Ziel-DNA gebunden, und über hitzestabile DNAPolymerasen werden in einer Kettenreaktion Kopien generiert. Klonierungsmethoden sind die Voraussetzung zur gentechnischen Herstellung wichtiger Medikamente. Restriktionsfragmentlängen-Polymorphismen sind genetische Marker, die abhängig von Allelen unterschiedliche Größen von Restriktionsfragmenten aufzeigen, was eine Folge von DNA-Sequenzpolymorphismen ist. RFLPs wurden ursprünglich über Southern-blots, jetzt über PCR getestet. Damit ist eine Genotypendiagnostik und somit die Diagnostik monogener Erkrankungen möglich. Die direkte Genotypendiagnostik weist intragene RFLPs nach, die indirekte mit dem interessierenden Gen gekoppelte extragene RFLPs.

229 12.4 · Genetische Beratung und vorgeburtliche Diagnostik

12

Zur genetischen Beratung und vorgeburtlichen Diagnostik 4 Die genetische Beratung einschließlich präund postnataler Diagnostik ist Teil der medizinischen Versorgung der Bevölkerung. 4 Indikation ist ein erhöhtes Risiko für ein Kind mit einer genetischen Erkrankung oder die postnatale Diagnose einer genetischen Erkrankung. 4 Bei der pränatalen Diagnostik unterscheidet man zwischen invasiven und nichtinvasiven Methoden.

4 Invasive Methoden sind Amniozentese, Chorionzottenbiopsie, Fetoskopie und Nabelschnurpunktion. 4 Nichtinvasive Methoden sind Untersuchung des mütterlichen Serums, Untersuchung fetaler Zellen aus mütterlichem Blut und Ultraschall. 4 Die Diagnostik erfolgt mittels biochemischer Untersuchungen, Chromosomenanalyse, virologischer Untersuchungen, hämatologischer Untersuchungen, Gerinnungsanalyse und DNA-Diagnostik.

13

Entwicklungsgenetik

> > Einleitung Mit Hilfe moderner Methoden der Gentechnik kann man seit einigen Jahren die Funktion von »normalen« Genen untersuchen bzw. auch sehr spezifische Modelle für genetisch bedingte Erkrankungen der Menschen herstellen. Dies kann sowohl auf der Ebene von kultivierten Zellen als auch von Tiermodellen geschehen.

13.1

Methoden

Zwei grundsätzliche Ansätze der entwicklungsgenetischen Methoden werden hier vorgestellt, nämlich die Einfügung einer zusätzlichen DNA-Sequenz, die man dann als Transgen bezeichnet, und der Funktionsverlust eines Gens durch dessen Stilllegung (gene silencing oder knock out). Dabei wollen wir uns auf Techniken an Labortieren, überwiegend der Maus als Modellorganismus, beschränken. Zwei Methoden haben sich hier als besonders erfolgreich erwiesen: die Transgenmethode und die Knock-out-Methode.

13

13.1.1

Transgene Tiere

Zur Erstellung transgener Tiere sind überwiegend zwei Methoden gebräuchlich, nämlich der Gentransfer in besamte Eizellen über die Mikroinjektionsmethode und die Injektion genetisch manipulierter Stammzellen in Mäuseblastozysten. Erstere kann grundsätzlich an verschiedenen Säugetierspezies durchgeführt werden, wobei sie bei der Labormaus und in geringerem Umfang bei der Laborratte am effizientesten ist, letztere nur bei der Maus, weil es bisher nur dort gelingt, embryonale Stammzellen zu züchten. Bei der Mikroinjektionsmethode wird das betreffende Gen oder die DNA Sequenz in den männlichen Vorkern injiziert, kurz vor der Verschmelzung mit dem weiblichen zur Zygote. Dort integriert das mit einem Promotor versehene Gen zu einem gewissen Prozentsatz an einer beliebigen Stelle und in multip-

len Kopien ins Genom. Vorher hormonell pseudoträchtig gemachte Empfängerweibchen tragen dann die transgenen Tiere aus. Nicht selten ist allerdings bei transgenen Tieren, dass zwar das Transgen integriert, es aber keine Expression zeigt. Verursachend dafür kann sein, dass wegen der geringeren Größe oft cDNA-Sequenzen übertragen wurden. Wir wissen aber in der Zwischenzeit, dass wichtige regulatorische Elemente oft in Introns gefunden werden. Es ist bekannt, dass die Expressionsrate bei Verwendung von Konstrukten aus genomischer DNA höher ist. Auch andere Faktoren wie die Struktur des Promotors, die Polyadenylierungsstelle oder Positionseffekte spielen eine Rolle (. Abb. 13.1). Beim zweiten methodischen Ansatz, der Injektion genetisch manipulierter totipotenter Stammzellen mit zusätzlichen Gensequenzen in Mäuseblastozysten erzeugt man grundsätzlich Chimären, also Tiere, die aus zwei verschiedenen Zellpopulationen aus verschiedenen Zygoten, auch in der Keimbahn bestehen. Dabei wählt man den Versuchsansatz so, dass embryonale Stammzellen und Blastozysten von verschiedenen Mäusestämmen mit unterschiedlicher Fellfarbe herrühren und damit die Keimzellübertragung des Transgens einfach über die gefleckte Fellfärbung nachgewiesen werden kann. Durch Rückkreuzung der Chimären kann es dann zu Mäusen kommen, die für das betreffende Gen heterozygot sind. Anschließende Inzucht kann dann zu homozygoten transgenen Mutanten führen (. Abb. 13.2). ! Mit beiden genannten Methoden stellt man also multiple Kopien eines Gens in Labortieren her und studiert an der Überexpression die Folgen, mit der Hoffnung, Informationen über die normale Genexpression zu erhalten. (. Abb. 13.3).

13.1.2

Knock-Out-Modelle

Den umgekehrten Weg beschreitet man mit Knockout-Mäusen. Hierzu verwendet man manipulierte totipotente Stammzellen, denen wiederum durch Mikroinjektion eine mutierte DNA-Sequenz zuge-

231 13.1 · Methoden

13

. Abb. 13.1. Schema zur Erzeugung transgener Mäuse durch Mikroinjektion

führt wurde. Diese Sequenz findet von sich aus das zu ihr gehörende Allel im Genom und tauscht dieses durch homologe Rekombination in einem Teil der Zellen aus. Damit ist das Normalallel ausgeknockt. So vorbereitete Stammzellen werden dann wiederum in Blastozysten injiziert, die man aus einer Spendermaus entnommen hat und in eine Empfängermaus verbringt. So entstehen, wie bereits oben beschrieben, chimäre Tiere. In der nächsten Generation ist es dann möglich heterozygote Tiere (Knock-out-Tiere) zu erhalten.

Die Erzeugung homozygoter Knock-out-Tiere erfolgt durch Kreuzung, wenn der Totalfunktionsverlust nicht letal ist. Über solche heterozygoten oder auch homozygoten Funktionsverlustmutanten kann man dann wertvolle Tiermodelle generieren, die menschliche, genetische Erkrankungen mit Funktionsverlust eines Gens simulieren. Weltweit existieren in der Zwischenzeit Tausende von transgenen- und Knock-out-Mäusestämmen. Hier sei noch ein transgenes Tiermodell erwähnt, bei dem aus XX-Oozyten durch

232

Kapitel 13 · Entwicklungsgenetik

13 . Abb. 13.2. Schema zur Erzeugung transgener Mäuse durch embryonale Stammzellen

Mikroinjektion eines SRY-Gens männliche Mäuse erzeugt wurden.

13.2

Anwendung am Menschen

Derartige Tiermodelle werfen die Frage auf, ob man damit rechnen muss, dass ähnliche Manipulationen einmal in der Zukunft auch an menschlichen Keimzellen durchgeführt werden könnten. Heute besteht die überwiegende Meinung aller Beobachter – Wis-

senschaftler, Ärzte und Ausstehender –, dass eine Gentherapie an menschlichen Keimzellen jedenfalls auf absehbare Zeit nicht in Frage kommt. Auch wird von Theologen und Philosophen das Argument gebracht, eine »genetische Manipulation« des ganzen Menschen verstoße gegen die Menschenwürde. Es sei ein Ausdruck von Hybris, den Menschen nach seinem Idealbild verändern zu wollen. Bei allen an der Diskussion Beteiligten besteht eine breite Übereinstimmung: Therapieversuche an menschlichen Zygoten sollten nicht durchgeführt werden.

233 13.2 · Anwendung am Menschen

. Abb. 13.3. Transgene Maus mit einem Gen, das Lymphome auslöst

13

Hierfür besteht auch keine medizinische Indikation. Um dies zu verdeutlichen, nehmen wir an, wir hätten es z. B. mit einem rezessiven Erbleiden zu tun, dessen Homozygotie zu einer schweren, konventionell nicht therapierbaren Erkrankung führt. Wenn bekannt ist, dass beide Eltern heterozygot sind, besteht doch nur ein Risiko von 25%, dass ein homozygotes Kind entsteht. Bevor man also eine Gentherapie ins Auge fassen könnte, müsste man feststellen, ob die frisch befruchtete Zygote tatsächlich homozygot für das Defektgen ist. Nehmen wir an, dies sei einmal mit Hilfe der Methoden der DNA-Diagnostik möglich, wäre es dann nicht viel einfacher und ungefährlicher eine andere normale Zygote des Paares zu implantieren? Diese einfache und vor allem sichere Alternative besteht in praktisch jedem Fall. Damit ist diese heute so leidenschaftlich diskutierte Methode schlicht überflüssig. Eine tiefgreifende Furcht besteht in der Bevölkerung vor der Vision einen »normalen« Menschen verbessern zu wollen, etwa durch Einführung von Genen für z. B. höhere Intelligenz, ausgeglichenere Persönlichkeit oder bessere Muskelentwicklung. Hier bestünde in der Tat die ernsthafte Gefahr, dass der Mensch sich zum Halbgott erhebt und hier ist zweifellos eine absolute Grenze zu setzen.

In Kürze

4 Eine zusätzliche DNA-Sequenz in einer Zelle wird als Transgen bezeichnet. 4 Transgene Tiere sind ein experimenteller Ansatz, um über die Polysomie eines Gens und die damit verbundene Überexpression des Proteins die Genfunktion zu untersuchen.

4 Knock-out-Tiere sind die Umkehrung des Transgenmodells, ein experimenteller Ansatz, um über Funktionsverlustmutanten die Genfunktion zu untersuchen oder Tiermodelle zu generieren, die menschliche genetische Erkrankungen mit Funktionsverlust eines Gens simulieren.

14

Populationsgenetik

> > Einleitung Die Populationsgenetik beschäftigt sich mit der Verteilung von Genen bzw. Allelen in einer Fortpflanzungsgemeinschaft. Ihre Mechanismen zu verstehen kann bei der Prophylaxe, Diagnostik und Therapie bestimmter Krankheiten von großer Wichtigkeit sein.

Im genetischen Sinne ist eine Population eine Gruppe von Individuen, die sich miteinander fortpflanzen oder zumindest fortpflanzen können. Man kann eine solche Gruppe auch als Mendelsche Population bezeichnen, da sich die Mendelschen Gesetze für die Weitergabe von Genen auf die Individuen dieser Gruppe anwenden lassen. Populationen können in ihrer Größe schwanken. Sie werden aber in der Regel als lokale Gruppe definiert, die durch gegenseitige Fortpflanzungsfähigkeit und gleiche Fortpflanzungschancen (Panmixie) aller Mitglieder gekennzeichnet ist. Die Gesamtheit aller Gene einer Population ist der Genpool. Der Genpool einer Population kann durch Hinzukommen neuer Gene verändert werden (Genfluss), was gerade bei der heutigen Mobilität von Bedeutung ist. Ein weiteres Kennzeichen von Populationen sind bestimmte Genhäufigkeiten (s. u.).

14

14.1

Hardy-Weinberg-Gesetz

! Genhäufigkeit bezeichnet die Anteile der verschiedenen Allele eines Gens in der Population.

Hardy und Weinberg haben 1908 etwa zur gleichen Zeit mathematisch abgeleitet, dass das nicht der Fall ist, sondern dass bei entsprechend großer Population und unter Berücksichtigung aller möglichen Paarungstypen dominante und rezessive Merkmale im Gleichgewicht stehen. Die Genhäufigkeiten und damit die Häufigkeiten der beiden homozygoten Genotypen und des Heterozygoten bleiben von Generation zu Generation konstant, wenn weder Auslese noch Inzucht wirksam sind. Diese Erkenntnis wird als Hardy-Weinberg-Gesetz bezeichnet. Die Bedeutung des Gesetzes liegt darin, dass es die Beziehung zwischen den Häufigkeiten der Allele und denen der Heterozygoten und Homozygoten formuliert.

14.1.1

Beispielsrechnung einer künstlichen Population

Gehen wir von den beiden Allelen A und a eines autosomalen Gens aus, denn nur dort sind die Genhäufigkeiten in männlichen und weiblichen Individuen gleich. Das Allel A sei – wie bereits die Schreibweise zeigt – dominant über a. Die Heterozygoten wären dann Aa und entsprächen phänotypisch dem homozygot dominanten Phänotyp. Wenn man nun eine Ausgangspopulation mit einer gegebenen Anzahl von Genotypen betrachtet, dann lässt sich errechnen, wie die Häufigkeit dieser Allele nach vielen Generationen aussieht. Nehmen wir für unsere Demonstrationspopulation ein Verhältnis von 0,40 AA:0,40 Aa: 0,20 aa

Dabei sollte der Begriff »Gen« besser durch den Begriff »Allel« ersetzt werden, da dies den Sachverhalt korrekter trifft. Bei der Beschreibung der Mendelschen Erbgänge in 7 Kap. 9.2 wurde deutlich, dass rezessive Allele nur bei einem Viertel der Nachkommen Heterozygoter phänotypisch sichtbar werden. Dominante Allele werden dagegen bei 50% der Nachkommen beobachtet. Daraus könnte man irrigerweise annehmen, dass rezessive Allele mit der Zeit abnehmen und dominante zunehmen müssten.

an. Die Genhäufigkeiten betragen dann 0,40+0,20=0,60 A und 0,20+0,20=0,40 a. Bei freier Partnerwahl und Paarung aller Mitglieder der Ausgangspopulation, sind 9 verschiedene Arten von Paarungen (X) möglich, von denen 3 reziprok zueinander sind: AA X aa = aa X AA

14

235 14.1 · Hardy-Weinberg-Gesetz

Die möglichen Paarungen sind: Paarung

Häufigkeit

1.

AA X AA

0,16

2.+4.

AA X Aa

0,32

3.+7.

AA X aa

0,16

5.

Aa X Aa

0,16

6.+8.

Aa X aa

0,16

9.

aa X aa

0,04

Summe

1,00

Es gibt also 6 verschiedene Kombinationsmöglichkeiten, bei denen sich die in . Übersicht 14.1 angegebenen und neben den Paarungen vermerkten Häufigkeiten miteinander multiplizieren lassen. Wie der . Übersicht 14.2 zu entnehmen ist, haben sich die Genotypenhäufigkeiten verändert, die Genhäufigkeiten sind dagegen unverändert geblieben: 0,36+1/2×0,48=0,60 für A 0,16+1/2×0,48=0,40 für a. Die Genhäufigkeiten in der nachfolgenden Generation bleiben unter den angegebenen Bedingungen

die gleichen wie in der Elterngeneration, unabhängig von den Anfangshäufigkeiten der 3 Genotypen. Folglich hängt – unbeeinflusst von der Häufigkeit der Genotypen in der vorherigen Generation – die Genhäufigkeit einer bestimmten Generation von der Häufigkeit der Allele in der vorherigen Generation ab. Die Häufigkeit der verschiedenen Genotypen wiederum, die hierbei entstehen, ist mit den Genhäufigkeiten verknüpft. Die Beziehung zwischen Genhäufigkeit und Genotypenhäufigkeit bleibt über alle weiteren Generationen erhalten, solange Panmixie herrscht. (Panmixie bedeutet, dass jedes Individuum die gleiche Chance hat, sich mit jedem Individuum des anderen Geschlechts mit gleicher Fruchtbarkeit zu paaren und dass keine Mutationen oder Selektion und kein Genimport oder -export erfolgt.) Dies kann als Gleichgewichtsverteilung der Genotypen betrachtet werden. Genetische Unterschiede bleiben, falls keine Veränderungen von außen eingreifen, in einer Population mit Panmixie konstant. Gehen wir wieder von den Allelen A und a aus, so kann man die Häufigkeit des Allels A mit p und die des Allels a mit q bezeichnen. Falls es keine weiteren Allele an diesem Lokus gibt, gilt p+q=100%,

. Übersicht 14.1. Population mit den Genotypen 0,40 AA, 0,40 Aa und 0,20 aa 0,40 AA

0,40 Aa

0,20 aa

0,40 AA

1. Paarung

0,16

2. Paarung

0,16

3. Paarung

0,08

0,40 Aa

4. Paarung

0,16

5. Paarung

0,16

6. Paarung

0,08

0,20 aa

7. Paarung

0,08

8. Paarung

0,08

9. Paarung

0,04

. Übersicht 14.2. Häufigkeit der Genotypen nach allen Arten von Paarungen mit den beiden Allelen A und a

Vorherige Generation

Genhäufigkeit der Folgegeneration

Häufigkeit der Genotypen

Paarung

Häufigkeit

AA

AA

AA X AA

0,16

0,16

0,16

AA X Aa

0,32

1/2×0,32+1/2×0,32

0,16

AA X aa

0,16

0,16

Aa X Aa

0,16

Aa X aa

0,16

1/2×0,16+1/2×0,16

aa X aa

0,04

0,04

Aa

Aa

Aa

aa

0,16 0,16

1/4×0,16+1/2×0,16+1/4×0,16

0,04

0,08

0,04

0,08

0,08 0,04

0,36

0,48

0,16

236

Kapitel 14 · Populationsgenetik

oder wenn man wie bisher Genhäufigkeiten in Bruchteilen von 1 angibt: p+q=1 Diese Formel bezeichnet dann die Gesamthäufigkeit der Allele an diesem Genort. Man kann die Gleichgewichtshäufigkeiten der Genotypen in folgender Form ausdrücken: p2(AA, 2pq(Aa), q2(aa) oder (p+q)2=p2+2pq+q2=1 (Hardy-Weinberg-Gleichgewicht) Dabei ist 4 p2 die Häufigkeit des homozygoten Genotyps für das dominante Allel: p2(AA) 4 2pq die Häufigkeit des heterozygoten Genotyps: 2 pq(Aa) 4 q2 die Häufigkeit des homozygoten Genotyps für das rezessive Allel: q2(aa). Für jeden Wert von p und q wird in einer Generation die Gleichgewichtssituation für die Häufigkeit von Genen und Genotypen erreicht. Dieses Gleichgewicht bleibt erhalten, solange sich an der Häufigkeit der Gene nichts ändert. Für einen Genlokus mit 3 Allelen gilt entsprechend:

14

(p+q+r)2=1 Das Erreichen eines Gleichgewichts nach einer Generation gilt jedoch nur dann, wenn man einen Genort betrachtet. Betrachtet man mehrere Genorte gleichzeitig – die Berechnung würde hier zu weit führen – so werden entsprechend mehr Generationen zur Erreichung eines Gleichgewichts benötigt. Dies ändert nichts an der grundsätzlichen Aussage des Hardy-Weinberg-Gleichgewichts: ! In einer entsprechend großen Population und unter Berücksichtigung aller möglichen Paarungssysteme bleiben die Genhäufigkeiten und damit die Häufigkeiten bei den homozygoten Genotypen und den Heterozygoten von Generation zu Generation konstant.

14.1.2

Berechnung bei natürlicher Population

Nach der Betrachtung eines Genlokus in einer künstlichen Population wollen wir nun zur Anwendung des Hardy-Weinberg-Gesetzes in natürlichen Populationen kommen. Hier ist primär die Schätzung der Genhäufigkeit und der Heterozygotenhäufigkeit bei rezessiv erblichen Krankheiten von Bedeutung. Dabei wird zur Berechnung der Genhäufigkeiten von dem Genotyp ausgegangen, dessen Häufigkeit bekannt ist. Dies sind die rezessiv Homozygoten (aa), da man den heterozygoten Genotyp (Aa) vom dominant homozygoten Genotyp (AA) phänotypisch nicht unterscheiden kann. Wir wissen, dass unter den oben genannten Voraussetzungen die Genotypenhäufigkeiten p2(AA), 2pq(Aa) und q2(aa) betragen. Die interessierende Gruppe, die rezessiv Homozygoten, hat die Häufigkeit q2 (Quadrat der Häufigkeit des rezessiven Allels). Bei der Phenylketonurie ist unter 10.000 Geburten ein Kind homozygot für Phenylketonurie. Dies bedeutet:

Damit errechnet sich die Häufigkeit des rezessiven Allels:

Die Häufigkeit des dominanten Allels ist dann:

Die Häufigkeit der Heterozygoten beträgt 2pq:

Bei einer Häufigkeit von homozygot Erkrankten von 1:10.000 errechnet sich eine Heterozygoten-

237 14.2 · Selektion und Zufall

häufigkeit von ca. 2%. Solche Zahlen sind erstaunlicherweise, wenn auch mathematisch selbstverständlich, die Regel. Während die tatsächlich Erkrankten relativ selten sind, sind die heterozygoten Genträger in der Bevölkerung recht häufig. Die Wahrscheinlichkeit, dass zwei heterozygote Genträger zusammentreffen und ein Kind mit dem homozygot rezessiven Genotyp hervorbringen, beträgt lediglich 1:10.000. Dies gilt in gleicher Weise für andere rezessive Erkrankungen und zeigt gleichzeitig, dass Maßnahmen gegen homozygote Genträger, wie sie in der jüngeren deutschen Geschichte aus ethnischer Pervertierung vorkamen, schon vom theoretischen Standpunkt aus wirkungslos sind. Populationsgenetisch wird sich damit die Frequenz der homozygoten Genträger nicht vermindern.

14.2

Selektion und Zufall

Die Voraussetzungen für die Annahme eines HardyWeinberg-Gleichgewichts wurden im vorhergehenden Abschnitt mehrfach angesprochen und sollen hier nochmals zusammengefasst werden. 4 In einer Population wird vorausgesetzt, dass jedes seiner Individuen die gleiche Chance hat, sich mit jedem Individuum des anderen Geschlechts mit gleicher Fruchtbarkeit zu paaren. 4 Weiterhin dürfen keine Mutationen erfolgen; Selektion ist ausgeschlossen. 4 Genimport oder -export darf nicht stattfinden. Natürlich besteht in einer realen Population nicht für jedes Mitglied die gleiche Paarungschance. So bevorzugen sich z. B. Partner ähnlichen Phänotyps und damit ähnlichen Genotyps. Auch Genimport und Genexport finden gerade in modernen Populationen zunehmend statt. Auch dürfen weder Mutation noch Selektion vorhanden sein. Tatsächlich haben jedoch Spontanmutationen, die nicht repariert werden und die keine stummen Mutationen sind, verändernde Einflüsse auf den Genpool. Wie stark einzelne Mutationen den Genpool beeinflussen wird durch die Selektion bestimmt.

14.2.1

14

Bedeutung der Selektion

! Selektion wirkt immer über Fortpflanzungsunterschiede.

Ein Selektionsvorteil kann zu einer langsamen Veränderung des Genpools führen. Er lässt das mutierte Gen häufiger werden, ein Selektionsnachteil lässt es dagegen seltener werden. Ein Selektionsvorteil führt immer zur Erzeugung von mehr Individuen mit der entsprechenden Mutation, ein Selektionsnachteil wirkt in umgekehrter Richtung. Dabei spielen verschiedene Faktoren eine Rolle wie 4 Veränderungen der sexuellen Attraktivität, 4 bessere oder schlechtere Adaptation an das vorhandene oder ein verändertes Nahrungsangebot, 4 Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen, 4 Klima ganz allgemein. Man kann Selektion als einen Vorgang der Prüfung an der Natur betrachten. Er setzt bei der Lebensfähigkeit, der Lebensdauer oder der Fruchtbarkeit der Keimzellen an und führt zu ungleicher Reproduktivität. Deshalb spricht man auch von reproduktiver Fitness. Bei einer Selektion gegen Neumutationen – dies ist aus humangenetischer Sicht von größerer Bedeutung – kommt es darauf an, ob das mutierte Allel dominant oder rezessiv ist. Dominante Allele werden schneller eliminiert, da die Selektion sowohl bei den Homozygoten als auch bei den Heterozygoten ansetzt. Bei rezessiven Allelen besteht nur ein Selektionsdruck gegen die Homozygoten, bei X-chromosomal-rezessiven Allelen gegen Hemizygote. Bei kleinen Populationen können erhebliche Variationen der Genhäufigkeiten und der Genotypenverteilung durch zufällige genetische Drift entstehen. Wegen der kleinen Populationsgröße kann nämlich ein Allel durch Zufall vermindert oder überhaupt nicht an die nächste Generation weitergegeben werden. Bei größeren Populationen sind solche Zufallsabweichungen weniger wahrscheinlich. Bei kleinen kann auf diese Weise ein Allel gänzlich aus der Population verschwinden und ein anderes fixiert sich. Zufällige genetische Drift ist die Ursache für bemerkenswerte Häufungen bestimmter Blutgruppen

238

Kapitel 14 · Populationsgenetik

in kleinen Isolaten. Sie ist auch für das häufige Auftreten einzelner genetischer Erkrankungen mit rezessiver Genwirkung in Isolaten mitverantwortlich. Allerdings gibt es dafür noch andere Ursachen, wie etwa den Gründereffekt. Der Gründereffekt beschreibt das häufige Vorkommen eines seltenen Allels, das sich von einem Gründer ausgehend in Folgegenerationen ausgebreitet hat. Das bekannteste Beispiel hierfür ist die hohe Frequenz für die TaySachs-Krankheit (Lipidspeicherkrankheit), eine schwere degenerative Nervenkrankheit in der aschkenasisch-jüdischen Bevölkerung der Vereinigten Staaten (minimale Genfrequenz 0,0051 gegenüber 0,0015 in anderen nicht-jüdischen Populationen). ! Zufällige genetische Drift und Gründereffekt können in kleinen Populationen einen großen Einfluss auf den Genpool haben.

14.2.2

14

Selektionsvorteile bei Blutgruppenvarianten

Nimmt die Häufigkeit eines Gens zu, so setzt, wie erwähnt, die Selektion bei der Lebensfähigkeit, der Lebensdauer oder der Fruchtbarkeit der Keimzellen an. Vor allem bei den Blutgruppenvarianten sind solche Selektionsvorteile, die in der Vergangenheit durch den Einfluss äußerer Faktoren bestanden haben, bei Heterozygoten beschrieben. Das am besten untersuchte Beispiel ist die Häufigkeit von Mutanten der Hämoglobingene in einigen Bevölkerungen tropischer und subtropischer Länder. Das Sichelzellgen (HbS) ist in den meisten schwarzafrikanischen Bevölkerungen häufig. Diese Mutation der Hämoglobin-β-Kette führt im homozygoten Zustand zu einer hämolytischen Anämie und verschiedenen anderen Krankheitszeichen. Durch die schwere Behinderung der Homozygoten haben sich diese fast niemals fortgepflanzt. Man kann sich nun fragen, warum trotz des Selektionsnachteils der Homozygoten das Gen in den beschriebenen Populationen so häufig wurde. Die Mutationsrate des Genlokus ist nicht erhöht. Daher muss man als einzige Möglichkeit einen Selektionsvorteil der Heterozygoten in der Vergangenheit annehmen. Tatsächlich konnte ein solcher Selektionsvorteil auch gefunden und bewiesen werden.

Das Risiko, an Malaria tropica, die durch Plasmodium falciparum übertragen wird, zu erkranken, ist bei Heterozygoten deutlich vermindert. In den untersuchten Gebieten wurden bis vor wenigen Jahren die meisten Kinder bereits in den ersten Lebensjahren infiziert. Viele erlagen der Infektion. Wegen der schlechteren Vermehrungsfähigkeit der Plasmodien in den sichelzellförmigen Erythrozyten hat die Heterozygotie die Kinder vor schweren klinischen Folgen dieser Erkrankung geschützt. Heute ist Heterozygotie für das Sichelzellgen wegen des Rückgangs der Malaria tropica eher ein Selektionsnachteil. Wegen der deutlichen Verminderung des selektiven Faktors wird sich die Genhäufigkeit in Zukunft vermutlich vermindern. Neben HbS gibt es noch andere in tropischen und subtropischen Gebieten häufige Hämoglobinkrankheiten. So findet man beispielsweise Hämoglobin E oft in den Mon-Khmer sprechenden Gruppen, vor allem in Thailand, Kambodscha und anderen südostasiatischen Ländern. Auch Thalassämien sind in tropischen und subtropischen Gebieten häufig. Auch bei diesen Hämoglobinopathien wird die Häufigkeit der Allele in den entsprechenden Bevölkerungen mit einem Selektionsvorteil der Heterozygoten gegenüber Malaria in Zusammenhang gebracht. Heterozygote mit Glukose-6-Phosphat-Dehydrogenase-Mangel sind ebenfalls resistenter gegen Malaria tropica.

14.3

Genomanalyse

Ein im Zusammenhang mit der Gentechnologie kontrovers diskutiertes Problem ist die sog. Genomanalyse. Mit Hilfe vieler humangenetischer und molekulargenetischer Methoden besteht zunehmend die Möglichkeit, Krankheitsanfälligkeiten schon früh – weit vor dem Manifestwerden der Krankheit – zu erkennen und das gefährdete Individuum vor dieser Krankheit zu schützen, indem man prophylaktische Maßnahmen trifft.

14.3.1

Möglichkeiten des Screenings

Das Screening auf Phenylketonurie und einige andere erbliche Stoffwechselleiden in den meisten Kul-

239 14.4 · Genetische Polymorphismen

turstaaten ist ein Beispiel für eine erfolgreiche Genomanalyse. Hierdurch konnten sich Tausende von Kindern praktisch normal entwickeln, deren Schicksal sonst ein schwerer geistiger und körperlicher Defektzustand gewesen wäre. Ein anderes positives Beispiel ist die bereits erwähnte Tay-Sachs-Erkrankung, eine degenerative Nervenkrankheit, deren Gen in der aschkenasischjüdischen Bevölkerung der Vereinigten Staaten häufig ist. Ein Screening-Verfahren macht es möglich, Paare zu identifizieren, bei denen beide Partner heterozygot sind und deren Kinder ein Erkrankungsrisiko von 25% haben. Diesen Paaren kann man dann eine pränatale Diagnostik anbieten. Nach entsprechender Aufklärung hat diese Bevölkerungsgruppe die Methode akzeptiert, was inzwischen die Geburt vieler betroffener Kinder verhindert hat und damit viel Leid von den entsprechenden Familien abgewendet werden konnte. Demgegenüber steht als negatives Beispiel die zeitweilige Einführung eines Screening-Verfahrens für Träger des Sichelzellgens in der schwarzen Bevölkerung der USA. Klinisch vollständig gesunde Heterozygote wurden unter anderem auf dem Arbeitsmarkt benachteiligt, weil entsprechende Aufklärung in geeigneter Weise fehlte. Sehr erfolgreich sind dagegen in einigen südeuropäischen Ländern eingeführte Screening-Programme für das Thalassämiegen. Durch Screening, Eheberatung und pränatale Diagnose ist es an manchen Stellen gelungen, die Häufigkeit dieser Krankheit bei Neugeborenen um 60–70% zu verringern.

14.3.2

Gefahr der Diskriminierung

Ein Screening auf bestimmte Erbmerkmale kann also durchaus einen Sinn haben und dem Betroffenen helfen, ihm drohende Gefahren von vornherein zu vermeiden. Daher ist die pauschale Ablehnung der Genomanalyse, wie wir sie heute von einem Teil der Bevölkerung erleben, wenig hilfreich. Sie kann sogar dazu beitragen, dass bei manchen Menschen gesundheitliche Schäden auftreten, die hätten vermieden werden können. Andererseits erleben wir in der zunehmend leistungsorientierten Gesellschaft bereits jetzt die Benachteiligung einzelner aus Gründen, die z. T.

14

genetische Ursachen haben und auf die jene Betroffenen keinen Einfluss haben. Ein Screening ist also nur dann sinnvoll, wenn es zu Gunsten des Einzelnen eingesetzt und nicht gegen ihn verwendet werden kann. So wäre es beispielsweise sinnvoll, wenn ein Betroffener sich auf ein erhöhtes Risiko für koronare Herzerkrankungen durch entsprechende frühe Diagnostik vorbereiten bzw. durch seine Lebensführung das persönliche Risiko einer tatsächlichen Erkrankung reduzieren könnte. Verhängnisvoll wäre es jedoch, wenn oft Jahrzehnte vor einer akuten Erkrankung eine Person zu einer Risikogruppe gerechnet würde und hierdurch Nachteile bei Berufswahl und Anstellungsmöglichkeiten erwachsen würden oder, wenn potenziell erhöhte gesundheitliche Risiken beispielsweise im Versicherungswesen Berücksichtigung fänden. Es ist eine vordringliche Aufgabe der Gesellschaft, die Genomanalyse dort einzusetzen, wo sie dem Einzelnen helfen kann, und dort entsprechende Maßnahmen zu treffen und Einschränkungen vorzunehmen, wo sie sich gegen eine Chancengleichheit aller wendet.

14.4

Genetische Polymorphismen

Sowohl bei translatierten Genen als auch in nicht translatierten Bereichen des Genoms findet man durch Mutationen entstandene Unterschiede in der Nukleotidsequenz. Bei translatierten Genen spricht man dann von verschiedenen Allelen. Enzymvarianten, die auf verschiedenen Allelen desselben Genorts basieren, nennt man Alloenzyme. ! Wenn bezüglich eines Merkmals mit monogener Vererbung mindestens zwei Phänotypen existieren, die auf mindestens zwei Genotypen zurückzuführen sind, von denen keiner selten ist (d. h. mindestens mit einer Frequenz von 1–2% vorkommt), so spricht man von einem genetischen Polymorphismus. Polymorphismen sind also Varianten im Bereich des Normalen. Oft findet man mehr als zwei Allele und mehr als zwei Phänotypen für einen einzigen Lokus.

Allerdings sollten Polymorphismen nicht mit seltenen genetischen Varianten verwechselt werden.

240

Kapitel 14 · Populationsgenetik

Seltene genetische Varianten sind dadurch definiert, dass sie mit geringerer, meist weit geringerer Häufigkeit als 1-2% vorkommen.

14.4.1

14

Bekannte Beispiele

Der erste genetische Polymorphismus, der überhaupt entdeckt wurde, war der der AB0-Blutgruppen durch Landsteiner (1900). Mit Methoden der Elektrophorese entdeckte man dann seit den 1950er Jahren weitere Polymorphismen vor allem für Serumproteine und später für Enzyme. So erklärt sich die interindividuelle Variation im Blutspiegel von Isoniazid (INH) (einem weit verbreiteten Pharmakon in der Behandlung der Tuberkulose) durch genetische Unterschiede in der Acetyltransferase-Aktivität in der Leber. Menschliche Populationen können hinsichtlich ihrer Acetylierung in Klassen unterteilt werden. Familienstudien ergaben, dass langsame Inaktivierer homozygot für defekte Acetylierung sind. Heterozygote können nicht von normalen Homozygoten unterschieden werden. Wir wissen heute, dass zwei weitgehend homologe Gene für N-Acetyltransferase (NAT1 und NAT2) und ein Pseudogen (NATP) in einem Gencluster auf Chromosom 8pter existieren, wobei 3 Varianten des NAT2-Gens für die langsame Inaktivierung von INH verantwortlich sind. 95% oder mehr der Langsaminaktivierer in allen Populationen beruhen auf den Varianten M1, M2 und M3, die durch einfachen Nukleotidaustausch zustande kommen, wobei die Allelfrequenzen in verschiedenen Populationen sehr unterschiedlich sind. Die meisten Polymorphismen basieren auf einem 2-Allelsystem, welches 2 Varianten desselben Proteins codiert. Andere dagegen sind hoch kompliziert, wie das System des Major Histocompatibility Complex (MHC, Haupthistokompatibilitätskomplex) mit multiplen Loki in einem komplexen System auf dem menschlichen Chromosom 6. Die . Übersicht 14.3 zeigt einige der wichtigsten Polymorphismen. Einige Polymorphismen sind auch ethnischspezifisch, d. h. sie existieren ausschließlich oder überwiegend in einer der drei ethnischen Hauptgruppierungen des Menschen. Verschiedene Abschätzungen der auf Polymorphismen beruhenden genetischen Heterogenität

wurden vorwiegend mit elektrophoretischen Methoden unternommen. Daraus wurde eine durchschnittliche Heterozygotierate pro Lokus von ca. 20% errechnet. Dies ist ein beachtliches Ausmaß an Polymorphismus für translatierte Gene und unterstreicht die biochemische Individualität des Menschen. Untersucht man jedoch Polymorphismen nicht auf der Genproduktebene, sondern direkt auf Ebene der DNA, was mit Methoden der DNA-Sequenzanalyse, durch den Einsatz von Restriktionsenzymen und anderen molekularbiologischen Methoden möglich ist, so findet man ein noch weit größeres Ausmaß an Polymorphismus. Dies beruht auf der Tatsache, dass – wie weiter oben beschrieben – der größte Teil des Genoms nicht in die direkte Regulation oder Spezifikation von Genprodukten involviert ist. Mutationen in diesen nicht codierenden Regionen der sog. Gendateien-DNA haben folglich keinen phänotypischen Effekt und sind selektionsneutral.

14.4.2

Medizinische und biologische Bedeutung

Einsatz bei der Gendiagnostik Die genetischen Polymorphismen in nicht codierenden Regionen können als DNA-Marker eingesetzt werden, wenn sie sich auf der DNA in der Nähe eines Genlokus befinden, der in mutiertem Zustand zu einer genetischen Erkrankung mit einfach mendelndem Erbgang führt. Über Kopplungsanalysen ist es dann möglich, präklinisch und pränatal monogene Erkrankungen zu erkennen. Voraussetzung ist allerdings eine enge räumliche Distanz zwischen Genlokus und DNA-Marker, um ein Crossing-over und damit Fehlinterpretationen auszuschließen. Die Anwendung dieser DNA-Marker zur Lokalisation eines Defektgens macht jedoch Familienuntersuchungen nicht überflüssig. Als Ergänzung der Kopplungsanalyse ist es notwendig, die Segregationsverhältnisse des Gens innerhalb der Familie zu untersuchen, um die geringe genetische Distanz zwischen Genlokus und DNA-Marker zu bestätigen und Heterogenität auszuschließen. Um das Gen entsprechend einzugrenzen und so ein Crossing-over auszuschließen, werden häufig mehrere Polymorphismen benötigt.

241 14.4 · Genetische Polymorphismen

14

. Übersicht 14.3. Wichtige menschliche Polymorphismen.

Name

Hauptallele

Bemerkungen

Erythrozytenoberflächenantigene (Blutgruppen) AB0

A1, A2, B, 0

Diego

Dia, Dib

Dia nur bei Indianern und Mongoliden

Duffy

Fya, Fyb, FyxFy

Fy ist häufig bei Negriden

Kell

K, k

Kidd

Jka, Jkb

Lewis

Lea, Leb

Lutheran

Lua, Lub

MNSs

MS, Ms, NS, Ns

Rhesus

C, c, Cw, D, d, E, e

Xg

Xga, Xg

X gekoppelt

α1-Antitrypsin

PIM1, PIM2, PIM3, PIS, PIZ

Viele seltene Allele

Komplementkomponente C3

C3F, C3S

Viele seltene Allele

Gruppenspezifische Komponenten

GC1F, GD1S, GC2

Spezielle Varianten bei verschiedenen Populationen

Haptoglobin

HP1S, HP1F, HP2

Viele seltene Allele

Immunglobuline

G1m3, G3m5, G1m1, G1m1,2

Kompliziertes System mit vielen seltenen Haplotypen

IGKC (Km)

Km1, Km3

Weitere Allele bekannt

Transferrin

TFC1, TFC2, TFC3, TFB, TFD

D-Varianten häufig bei Negriden

Serumproteingruppen

Enzyme der Erythrozyten Saure Erythrozytenphosphatase

ACP1A, ACB1B, ACP1C

Adenosindesaminase

ADA1, ADA2

Adenylatkinase

AK11, Ak12

Einige andere seltene Allele bekannt

Esterase D

ESD1, ESD2

Seltene Varianten bekannt

Peptidase A

PEPA1, PEPA2

PEPA1 vorwiegend bei Weißen, PEPA2 teilweise bei Negriden

Peptidase D

PEPD1, PEPD2, PEPD3

PEPD3 besonders bei Negriden

Phosphoglukomutase (PGM) 1

PGM1a1, PGM1a2, PGM1a3, PGM1a4

Seltene Allele sind bekannt

PGM 2

PGM21, PGM22

PGM22 nur bei Negriden

PGM 3

PGM31, PGM32

Gekoppelt mit dem MHC-Lokus

Phosphoglukonatdehydrogenase

PGDA, PGDB

Seltene Allele bekannt

Andere Enzympolymorphismen Alkoholdehydrogenase

ADH31, ADH32

Cholinesterase-1

CHE1U, CHE1D, CHE1S

242

Kapitel 14 · Populationsgenetik

. Übersicht 14.4. Genetische Polymorphismen Definition

14

Durch Mutationen entstandene Unterschiede in der Nukleotidsequenz homologer DNA-Bereiche

Folge

Bei translatierten Genen Allele, bei Enzymen Alloenzyme

Frequenz

Bei translatierten Genen mindesten 1–2%, andernfalls handelt es sich um seltene genetische Varianten

Nachweis

Biochemisch, vorwiegend mit Elektrophorese, oder mit molekularbiologischen Methoden

Klinisch-genetische Bedeutung

Mit DNA-Markern können über Kopplungsanalysen präklinisch und pränatal einfach mendelnde Erkrankungen nachgewiesen werden

Sonstige Bedeutung

Bei der Analyse des menschlichen Genoms, aber auch in der forensischen Medizin und Kriminalistik

Heute stehen sehr viele über das ganze Genom verteilte DNA-Marker zur Verfügung. Sie tragen dazu bei, dass immer mehr genetische Erkrankungen mit einfach mendelndem Erbgang früh diagnostiziert werden können. Auch bei der Kartierung neuer Gene werden Polymorphismen erfolgreich verwendet. In der forensischen Medizin haben sich durch den Einsatz von DNA-Markern ebenfalls neue Möglichkeiten ergeben, vor allem in Fällen ungeklärter Vaterschaft, aber auch bei der Identifizierung von Blut und Sperma. In der Kriminalistik ermöglicht der »genetische Fingerabdruck« eine zweifelsfreie Identifikation von Personen. Mögliche Datenschutzprobleme müssen bei der Erstellung bedacht und berücksichtigt werden. DNA-Polymorphismen gibt es nicht nur im Zellkern, sondern auch in den Mitochondrien. Mitochondrien werden ausschließlich über die Mutter vererbt. Sie sind nicht diploid, bei ihnen gibt es keine Meiose und folglich auch keine Rekombination. Daher sind mitochondriale Polymorphismen in der Populationsgenetik besonders nützlich. Sie geben Aufschluss über die Beziehungen zwischen Populationen und die Geschichte von Populationen, aber auch von Einzelpersonen.

Einfluss auf die Selektion Auf der Basis der hohen Frequenz genetischer Polymorphismen vor allem in Enzymen und der nicht codierenden DNA könnte man annehmen, dass die meisten Gene hoch polymorph sind. Dies ist jedoch nicht der Fall, wenn man Strukturproteine betrachtet. Es mag daran liegen, dass Strukturproteine mit vielen anderen Proteinen interagieren. Dies könnte einen Selektionsdruck gegen Mutationen zur Folge haben, da Konformationsänderungen nicht toleriert würden. Die Evolution erlaubt dort genetische Variabilität, wo sie nicht schadet oder sogar das evolutionäre Potenzial erhöht. Andere Bereiche, welche essenziell für das Überleben einer Art sind, werden konserviert. ! Genetische Polymorphismen (. Übersicht 14.4) eröffnen einerseits ein weites Feld diagnostischer Möglichkeiten, andererseits sind sie von großer Bedeutung sowohl für die weitere Aufklärung des menschlichen Genoms als auch der genetischen Herkunft des Menschen. Genetische Polymorphismen sind aber auch das, was jedem Menschen seine »biochemische Individualität« beschert.

In Kürze

4 Eine Population ist eine Gruppe von Individuen, die durch gegenseitige Fortpflanzungsfähigkeit und gleiche Fortpflanzungschancen (Panmixie) aller Mitglieder gekennzeichnet ist. 4 Das Hardy-Weinberg-Gesetz formuliert die Beziehung zwischen den Häufigkeiten der Al-

6

lele und denen der Heterozygoten und Homozygoten. 4 Es besagt, dass bei entsprechend großer Population dominante und rezessive Merkmale im Gleichgewicht stehen. Die Genhäufigkeiten und damit die Häufigkeiten der beiden homozygo-

243 14.4 · Genetische Polymorphismen

4

4

4

4

ten Genotypen und der Heterozygoten bleiben von Generation zu Generation konstant, wenn weder Auslese noch Inzucht wirksam ist. In natürlichen Populationen ist das Hardy-Weinberg-Gesetz zur Schätzung der Genhäufigkeiten und der Heterozygotenhäufigkeiten bei rezessiv erblichen Krankheiten von Bedeutung. Es führt zu der Erkenntnis, dass bei rezessiven Erkrankungen, bei denen tatsächlich Erkrankte recht selten sind, die heterozygoten Genträger in der Bevölkerung jedoch recht häufig sind. Für natürliche Populationen gilt das HardyWeinberg-Gesetz nur näherungsweise, da es Panmixie voraussetzt und Mutation, Selektion und Genimport bzw. -export ausschließt. Genmutationen können zu langsamen Veränderungen des Genpools führen, wenn sie einen Selektionsvorteil beinhalten. Dabei wirkt jeder Selektionsvorteil nur über die reproduktive Fitness.

14

4 In kleinen Populationen sind zufällige genetische Drift und der Gründereffekt von Bedeutung. Letzterer kann für die überproportionale Häufigkeit einer bestimmten genetischen Erkrankung in einer Population verantwortlich sein. 4 Beispiele für Selektionsvorteile in der Vergangenheit sind Mutanten von Hämoglobinen. 4 Unterschiede in der Nukleotidsequenz eines Gens führen zu genetischen Polymorphismen und seltenen genetischen Varianten durch unterschiedliche Allele. 4 Genetische Polymorphismen in nicht codierenden Bereichen des Genoms können über Kopplungsanalysen zur Diagnostik monogener Erkrankungen und zur Kartierung von Genen verwendet werden. Weiterhin verwendet man sie zur Personenidentifikation in der Forensik und in der molekularen Anthropologie.

III

Grundlagen der Mikrobiologie und Ökologie 15 Grundformen der Bakterien

– 247

16 Aufbau der Bakterienzelle (Protozyte) – 251 17 Wachstum einer Bakterienkultur 18 Bakteriengenetik 19 Pilze

– 275

20 Viren

– 279

21 Prionen

– 260

– 265

– 292

22 Relevante Grundzüge der Ökologie – 294

247

15

15 Grundformen der Bakterien > > Einleitung Bakterien haben sich in der Evolutionsgeschichte vor der Differenzerung in Tiere und Pflanzen entwickelt und sind daher systematisch weder dem Pflanzen- noch dem Tierreich zuzuordnen. Anhand morphologischer Merkmale lassen sie sich klar unterteilen.

Ernst Haeckel fasste 1866 alle Mikroorganismen, die sowohl Eigenschaften von Pflanzen als auch von Tieren haben, unter dem Begriff Protisten zusammen. Protisten sind im Gegensatz zu höheren Lebewesen einfach gebaut: Sie sind entweder einzellig oder entwickeln nur sehr gering differenzierte Gewebe. Man unterscheidet zwischen höheren Protisten, die den Zellaufbau einer eukaryoten Zelle besitzen, und niederen Protisten, deren Zellstruktur wesentlich einfacher ist. Letztere werden als Prokaryoten den Eukaryoten gegenübergestellt und als Frühformen der organischen Evolution angesehen. Zu den höheren Protisten (Eukaryoten) gehören: 4 Pilze, 4 Algen, 4 Protozoen.

(. Übersicht 15.1) an. Die meisten Erreger sind nach Krankheiten oder ihren Entdeckern benannt. Wir wollen dieses System jedoch weitgehend außer Acht lassen, und stattdessen einzelne, morphologisch interessante Formen von Bakterien besprechen (. Abb. 15.2).

15.1

Kokken

Kokken sind mehr oder weniger kugelförmige, unbewegliche, nicht-sporenbildende Bakterien. Sie können gram-positiv oder gram-negativ sein (7 Kap. 16.2). Zu den gram-positiven Kokken gehören die Staphylokokken (Diplokokken) und die Streptokokken, zu den gram-negativen die Meningokokken und die Gonokokken.

15.2

Stäbchen

Stäbchenbakterien können begeißelt oder nicht begeißelt, gram-positiv oder gram-negativ sein, sich aber auch säurefest verhalten. Es gibt Sporenbildner unter ihnen.

Zu den niederen Protisten (Prokaryoten) gehören: 4 Bakterien, 4 Blaualgen. Weiterhin zählen subzelluläre Formen wie 4 Viren und 4 Viroide zur Gruppe der Mikroorganismen (. Abb. 15.1). Für die Medizin sind v. a. Bakterien, Pilze und Viren von Bedeutung. Bakterien werden aufgrund bestimmter morphologischer, biochemischer und evtl. pathogenetischer Eigenschaften in Klassen, Ordnungen, Familien, Gattungen und Arten eingeteilt. Dabei wendet man die binominale Nomenklatur nach Linné

. Abb. 15.1. Evolutionäre Entwicklung der wichtigsten Gruppen von Mikroorganismen

248

Kapitel 15 · Grundformen der Bakterien

. Übersicht 15.1. Bestimmungsschlüssel für die wichtigsten Bakteriengruppen*

Untergruppen

Genera

I. Myxobacteria (biegsame, dünnwandige Zellen, Beweglichkeit beruht auf Gleitmechanismus) II. Spirochäten (biegsame, dünnwandige Zellen, Beweglichkeit beruht auf axialem Filament) 4 Treponema 4 Borellia 4 Leptospira III. Eubakterien (rigide, dickwandige Zellen, unbeweglich oder Beweglichkeit, die auf Geißeln beruht) A. Mycelartige (Actinomyces)

4 4 4 4

Mycobacterium Actinomyces Nocardia Streptomyces

B. Einfache unizelluläre 1. Obligat intrazelluläre Parasiten

4 Rickettsia 4 Coxiella 4 Chlamydia

2. Frei lebende 4 Gram-positive 4 Kokken

4 Streptococcus 4 Staphylococcus

4 Nicht-sporenbildende Stäbchen

4 Corynebacterium 4 Listeria 4 Erysipelothrix

4 Sporenbildende Stäbchen obligat aerob obligat anaerob

4 Bacillus 4 Clostridium

4 Gram-negative 4 Kokken

4 Neisseria

4 Stäbchen, die nicht aus dem Darmmilieu stammen 4 Spiralige Formen

4 Spirillum

4 Gerade, sehr kleine Formen

4 4 4 4 4 4

15 4 Stäbchen aus dem Darmmilieu Fakultativ anaerobe

Obligat aerobe Obligat anaerobe

Pasteurella Brucella Yersinia Francisella Haemophilus Bordetella

4 Escherichia (und verwandte coliforme Bakterien) 4 Salmonella 4 Shigella 4 Klebsiella 4 Proteus 4 Vibrio 4 Pseudomonas 4 Bacteroides 4 Fusobacterium

IV. Zellwandfreie Formen 4 Mycoplasma *Aufgeführt sind v. a. Genera mit den für den Menschen pathogenen Spezies.

249 15.6 · Chlamydien

15

. Abb. 15.2. Bakterienformen

Zu den Stäbchenbakterien gehören z. B. die Enterobakteriaceae, die Gattung Bacillus sowie Mykobakterien und Escherichia coli.

15.3

Vibrionen

Vibrionen sind gram-negative, kommaförmig gekrümmte Stäbchen mit einer einzigen polar angeordneten Geißel. Ihre Vertreter können Cholera und Sepsis hervorrufen.

15.4

15.5

Mykoplasmen

Mykoplasmen sind bakterienähnliche Mikroorganismen, die keine Zellwand besitzen. Das Zytoplasma ist nur von einer festen Membran umgeben. Sie weisen dementsprechend keine feste Gestalt auf, sondern sind von quallenartiger Plastizität. Mykoplasmen sind für die Veterinärmedizin von größerer Bedeutung als für die Humanmedizin. Sie sind die Erreger des Syndroms »Primäre atypische Pneumonie« sowie von fieberhaften Erkrankungen des Respirationstraktes, gehören aber auch zur normalen Flora des Mundes und des Urogenitaltraktes.

Spirochäten 15.6

Spirochäten (Schraubenförmige) sind eine große heterogene Gruppe spiralig geformter, langer, dünner, beweglicher, bakterienähnlicher Mikroorganismen. Die spiralenförmige Zelle ist mit einem schlanken, kontrahierbaren Faden, der meist aus einer einzigen Fibrille besteht, verflochten. Der Mechanismus der Bewegung ist mit dem der begeißelten Bakterien nicht vergleichbar. Zu ihnen gehören die Erreger des Rückfallfiebers (Borellien), der Syphilis (Treponema) und der Leptospirose.

Chlamydien

Bei den Chlamydien handelt es sich um eine große Gruppe nichtbeweglicher, gram-negativer, obligat intrazellulärer Parasiten, die alle ähnlich strukturiert sind und ein gemeinsames Gruppenantigen besitzen. Im Zytoplasma der Wirtszelle durchlaufen sie einen besonderen Entwicklungszyklus. Wahrscheinlich haben sich Chlamydien aus gram-negativen Bakterien entwickelt. Sie können als Bakterien angesehen werden, denen einige wesentliche Stoffwechselleistungen zur Energiebildung fehlen, weswegen sie auf eine intrazelluläre Existenz angewiesen sind. Zu ihnen zählen die Erreger der Ornithose, des Lymphogranuloma venereum, des Trachoms und der Einschlusskörper-Conjunctivitis.

250

Kapitel 15 · Grundformen der Bakterien

In Kürze

4 Mikroorganismen werden unter dem Begriff Protisten zusammengefasst. Zu ihnen zählen sowohl eukaryotische (höhere Protisten) als auch prokaryotische (niedere Protisten) und subzelluläre Formen. 4 Bakterien sind einzellige Mikroorganismen mit einem für Prokaryoten typischen Zellaufbau.

15

Sie besitzen in der Regel eine komplexe Zellhülle, die bei Eukaryoten nicht vorhanden ist. 4 Die wichtigsten morphologischen Grundformen der Bakterien sind Kokken, Stäbchen, Vibrionen, Spirochäten, Mykoplasmen und Chlamydien.

251

16

16

Aufbau der Bakterienzelle (Protozyte)

> > Einleitung

Die wichtigsten Unterschiede der Protozyte zur Euzyte wurden bereits in 7 Kap. 1 und . Übersicht 1.1

dargestellt. Zur Erinnerung: Prokaryoten haben nur ein »Chromosom«; die DNA liegt im Nukleoplasma eingebettet frei in der Zelle. Sie besitzen keine Mitochondrien und keine endogenen Membranen und Kompartimente. Die Ribosomen der Protozyte sind etwas kleiner als die von Euzyten (70S-Ribosomen in Prokaryoten und 80S-Ribosomen in Eukaryoten). Sie machen z. B. bei Escherichia coli ca. ¼ der gesamten Zellmasse aus (ca. 15.000 pro Zelle). Außerdem gibt es Unterschiede in der Genstruktur, der Replikation, der Transkription und der Translation. Protozyten besitzen keine »unterbrochenen Gene« (. Abb. 16.1).

. Abb. 16.1a,b. a Elektronenmikroskopische Aufnahme eines Dünnschnittes von Escherichia coli (Nach Darnell et al.

1990); b Schematischer, vereinfachter Längsschnitt durch eine Prokaryoten-Zelle (E. coli)

Bei Bakterien fungiert die Einzelzelle zugleich als ganzer Organismus, was einen ganz speziellen Zellaufbau notwendig macht. Dieser ermöglicht einerseits das Leben in und auf höheren Organismen, gibt aber gleichzeitig Angriffspunkte für Medikamente.

16.1

Unterschiede zur Euzyte

252

16.2

Kapitel 16 · Aufbau der Bakterienzelle (Protozyte)

Zellwand

Ein Charakteristikum der Bakterienzelle ist, dass das Zytoplasma und seine Membranen von einer festen Zellwand umschlossen sind, die dem Bakterium seine mechanische Festigkeit verleiht. Die osmotisch wirksame Schranke ist allerdings die semipermeable Zytoplasmamembran, die die Zufuhr bzw. Abgabe von gelösten Substanzen kontrolliert. Die Zellwand ist dagegen für Salze und niedermolekulare Substanzen passierbar.

16.2.1

Anfärbung

Das Anfärben der Zellwand ist für die Taxonomie von außerordentlicher Bedeutung: 4 Gram-positive und gram-negative Bakterien lassen sich mit einem Kristallviolett-Jod-Komplex anfärben, der in Wasser unlöslich und in Alkohol oder Aceton schwach löslich ist. Während sich gram-positive Zellen durch Alkohol nicht entfärben lassen, geben gram-negative Keime bei dieser Behandlung den Farbstoff wieder ab. 4 Mykobakterien, wie z. B. die Krankheitserreger Mycobacterium tuberculosis oder M. leprae, sind weder gram-positiv noch gram-negativ. Im Gegensatz zu diesen lassen sich Mykobakterien auch dann nicht entfärben, wenn dem Alkohol Salzsäure zugesetzt wird. Sie sind säurefest.

16.2.2

16

. Abb. 16.2. Ausschnitt aus einem einschichtigen Mureinsacculus (E. coli). G: N-Acetyl-Glukosamin, M: N-Acetyl-Muraminsäure. Die Muraminsäureglieder sind durch Peptidbrücken quervernetzt

Aufbau

Mureinsacculus. Die Bakterienzellwand besteht aus dem Glykopeptid Murein, einem Stützskelett aus weitgehend einheitlichen Polymeren. Dabei handelt es sich um ein Heteropolymer, in dem in glykosidischer Bindung N-Acetyl-Glukosamin und N-Acetyl-Muraminsäure (ein Milchsäureether von N-Acetyl-Glucosamin) abwechselnd miteinander verknüpft sind und gerade, nicht verzweigte Ketten bilden. Die Muraminsäureglieder werden zusätzlich durch Aminosäuren peptidisch verknüpft, so dass eine Quervernetzung entsteht, die die heteropolymeren Ketten zu einem sackförmigen Riesenmolekül, dem Mureinsacculus, verbindet (. Abb. 16.2). Dieser Mureinsacculus fungiert als Stützskelett der Zellwand.

Akzessorische Substanzen. Der Mureinsacculus ist

von akzessorischen Molekülen umgeben. Unterschiede bei verschiedenen Bakteriengruppen. Gram-positive und gram-negative Bak-

terien unterscheiden sich sowohl im Aufbau des Mureinsacculus als auch in den akzessorischen Substanzen: 4 Gram-negative Bakterien besitzen ein einschichtiges Mureinnetz, dem große Mengen Lipoproteine, Lipopolysaccharide und Phospholipide angelagert sind. 4 Gram-positive Bakterien weisen ein mehrschichtiges Mureinnetz auf, der Protein- und Polysaccharidgehalt ist gering. Ihrem Mureinnetz ist ein weiteres komplexes Makromolekül, die Teichonsäure angelagert. Sie ist Träger der antigenen Eigenschaften dieser Bakterien (. Abb. 16.3 und 16.4). l Exkurs Endotoxine Definition. Die Lipopolysaccharide in der Zellwand gram-negativer Bakterien bezeichnet man als Endotoxine, da sie bei der Abwehrreaktion des Körpers durch Zerfall der Bakterien freigesetzt werden. Insbesondere der Lipidanteil (Lipid A) wirkt toxisch. Wirkungsweise. Die Lipopolysaccharide reagieren mit Rezeptoren der Makrophagen, die daraufhin Interleukin 1 ausschütten. Dieses erniedrigt die Temperaturempfindlichkeit des Temperaturregulationszentrums im Hypothalamus, was zu Fiberreaktionen führt. Parenteral bewirkt Endotoxin beim Menschen bereits in sehr kleinen Mengen ( > Einleitung

17.1

Bakterienkultur

Andere Bakterien gewinnen die lebensnotwendige Energie nicht durch Atmung, sondern über anaerobe Glykolyse. Man nennt sie folglich Anaerobier. Für streng anaerobe (es gibt fakultative und obligate Anaerobier) Bakterien ist daher der Ausschluss von Luftsauerstoff eine notwendige Kulturvoraussetzung. Ein Beispiel für obligate Anaerobier sind die sporenbildenden gram-positiven Stäbchen der Clostridien, die Tetanus und Gasbrand verursachen.

17.1.1

Kulturmedien

l Exkurs Toxizität des Sauerstoffs

Sowohl das Bakterienwachstum in vivo, als auch in vitro ist von bestimmten Voraussetzungen abhängig und folgt gewissen Regeln. Dies ist nicht nur für das allgemeine Verständnis von Infektionen wichtig, sondern spielt auch in der Diagnostik eine große Rolle.

Viele Bakterien lassen sich ohne besondere Schwierigkeiten in flüssigen Nährmedien oder auf festen Nährböden züchten. Außer dem zum Wachstum stets notwendigen Wasser benötigen die meisten Bakterien organische Verbindungen, um ihren Energiebedarf zu decken. In Frage kommen Zucker wie Glukose, Fruktose, Milchzucker, aber auch Fette und Aminosäuren. Außerdem müssen verschiedene Mineralien wie Schwefel, Phosphor, Kalium, Calcium, Magnesium, Eisen und evtl. Stickstoff vorhanden sein. Die meisten Bakterien gedeihen am besten, wenn H+- und OH--Ionen in etwa der gleichen Konzentration vorliegen, also bei einem pH von 7,0. Viele bevorzugen auch höhere pH-Werte, also leicht alkalisches Milieu, nur wenige haben ihr Optimum im sauren Bereich. Für viele Aufgaben der Mikrobiologie wählt man Nährmedien, die in ihrer Zusammensetzung genau bekannt sind und über entsprechende Hersteller bezogen werden können.

17 17.1.2

Besondere Kulturvoraussetzungen

Bei sehr vielen Bakterien ist Sauerstoff der notwendige Elektronenakzeptor. Sie werden als Aerobier bezeichnet. In der Kulturatmosphäre darf daher eine gewisse O2-Konzentration nicht unterschritten werden, um die Zellatmung nicht zu beeinträchtigen.

Die Toxizität von O2 wird durch seine enzymatische Reduktion in der Zelle (z. B. durch Flavoproteine) zu Wasserstoffperoxid (H2O2) und zu dem noch toxischeren freien Superoxidradikal (O2-) verursacht. Aerobier sind davor durch das Enzym Superoxiddismutase geschützt, das folgende Reaktion katalysiert: 2 O2- + 2 H+ → O2 + H2O2 Anschließend katalysiert das Enzym Katalase die Reaktion: 2 H2O2 → H2O + O2

Weiterhin gibt es unter den Bakterien obligat intrazelluläre Parasiten. Viele Arten vermehren sich in Zellkulturen, ihre Kulturatmosphäre stellt allerdings besondere Anforderungen. Zu ihnen gehören die Chlamydien und die Rickettsien. Klinik Erkrankungen durch Chlamydien und Rickettsien Zur Gruppe der Chlamydien zählt C. psittaci, der Erreger der Ornithose. Es handelt sich um eine bei Vögeln auftretende Erkrankung, die auf den Menschen übertragbar ist. Die klinischen Symptome reichen von einer schweren Pneumonie und einem septischen Krankheitsbild mit hoher Letalität bis zu einer eher milde verlaufenden inapparenten Infektion. Ein weiteres Beispiel ist das durch C. trachomatis ausgelöste Trachom, eine chronische Keratokonjunctivitis, die durch das Auftreten von Follikeln, einer papillären Hyper6

261 17.2 · Bakterienwachstum

tonie und dem typischen Pannus, der zu Narbenbildung und gelegentlich zu Blindheit führt, charakterisiert ist. Rickettsien verursachen das Fleckfieber, das durch Fieber von etwa zwei Wochen Dauer, eine Allgemeininfektion und schweren allgemeinen Erschöpfungszustand gekennzeichnet ist.

17.1.3

17

. Übersicht 17.1. Einfluss des Kulturmediums auf die Generationszeit von Bakterien

Minimalmedium

Vollmedium

0,02 M Glukose 0,04 M Na2HPO4 0,02 M KH2PO4 0,01 M NaCl 0,02 M NH4Cl 0,0001 M CaCl2

10 g/l Pepton oder Trypton 5 g/l NaCl 2 g/l Na-Citrat 1,3 g/l Glukose 15 g/l Agar (bei festem Nährmedium)

Generationszeit

Generationszeit

E. coli ca. 45 min

E. coli ca. 20 min

Kultivierungstemperatur 17.2.2

Neben den bereits erwähnten Kulturvoraussetzungen gehört zu optimalen Vermehrungsbedingungen noch eine geeignete Kultivierungstemperatur. Sie liegt bei vielen humanpathogenen Keimen bei 37°C, bei einigen niedriger, bei anderen wiederum höher.

17.2

Bakterienwachstum

17.2.1

Generationszeit

Unter Normalbedingungen teilt sich eine Bakterienzelle, wie z. B. E. coli, durchschnittlich nach ca. 20 min (. Übersicht 17.1). Die entstandenen zwei Tochterzellen teilen sich bereits nach weiteren 20 min in vier Zellen usw.

Isolierung und Anzucht

Anzucht auf Vollmedien. Bringt man Bakterien auf

ein festes Nährmedium (. Abb. 17.1), was man durch Zusatz von Agar-Agar (Gerüstpolysaccharid aus Rotalgen, das durch Kochen mit Wasser geliert, . Abb. 17.2) zu dem obigen Medium erhält, so entwickelt sich aus jedem Bakterium im Laufe einiger Stunden durch ständige Teilung eine Kolonie, die oft ebenfalls mehr als 109 Bakterien enthält. Die Bakterien einer Kolonie stammen alle von einem einzigen Bakterium ab und sind daher, von spontanen Mutationen abgesehen, erbgleich. Man bezeichnet sie als Bakterien-Klon. Um eine Reinkultur (Kultur, die ausschließlich eine gewünschte Bakterienart enthält) herzustellen, trägt man auf einen festen Nährboden mit einer

l Exkurs Ein raffiniertes Schachspiel Das Bakterienwachstum erinnert an eine Anekdote über den Erfinder des Schachspiels. Dieser soll für das erste Feld des Schachspiels ein Weizenkorn, für das zweite 2, für das dritte 4 Körner usw. von seinem König erbeten haben. Die Erfüllung seines Wunsches wurde ihm leichtfertig zugesagt. Man musste jedoch feststellen, dass man so viele Weizenkörner niemals hätte auftreiben können. Das Beispiel verdeutlicht, welch ungeheure Populationszahl aus ursprünglich einem Bakterium bei einer Generationszeit von nur 20 min innerhalb kurzer Zeit erreicht werden kann. Es ist aber auch ein beeindruckendes Beispiel dafür, welch beachtliche Syntheseleistung in der Natur in relativ kurzer Zeit erbracht werden kann.

Es gibt aber auch Bakterien, die wesentlich langsamer wachsen. Mycobacterium tuberculosis ist hier ein extremes Beispiel. Die Generationszeit von Tuberkelbakterien beträgt 12 Stunden und mehr.

. Abb. 17.1. Bakterienkolonien auf festem Nährmedium in einer Petrischale angezüchtet

262

Kapitel 17 · Wachstum einer Bakterienkultur

. Abb. 17.2. Gelierungsmittel Agar-Agar, Disaccharid aus dem neutralen Polysaccharid

Impföse die Bakterien einer Mischkultur (Kultur, in der sich verschiedene Keime zusammen mit den gewünschten Keimen befinden) auf (. Abb. 17.3). Nach Ausglühen der Impföse zur Sterilisation fährt man mit dieser quer über den letzten Impfstrich. Diesen Vorgang wiederholt man mehrmals. Durch jedes Ausstreichen verdünnt man die Bakterien bis Einzelbakterien vorliegen, die zu Einzelkolonien heranwachsen. Die verschiedenen Bakterienarten der Mischkultur befinden sich nun, in verschiedenen Kolonien getrennt, auf dem Nährmedium und können daraus isoliert werden. Anzucht auf Selektivmedien. Entsprechend ihren

Nährstoffbedürfnissen kann man Bakterien auch durch Selektivnährböden isolieren. Diese enthalten selektiv die nötigen Nährstoffe für eine bestimmte Bakterienspezies oder eine bestimmte Mutante. Ein einfaches Beispiel sind Selektivnährböden für antibiotikaresistente Bakterien. Durch den Zusatz eines bestimmten Antibiotikums können dann nur die gegen dieses Antibiotikum resistenten Keime Kolonien bilden, die anderen werden abgetötet. An-

dere Bakterien können beispielsweise eine Mutation im Histidinoperon tragen. Sie vermehren sich nur, wenn Histidin dem Nährboden zugesetzt ist. Klinik Bakteriologische Diagnostik Zur bakteriologischen Diagnostik ist es i.d.R. notwendig, entsprechende Kulturen anzulegen, da nur durch die Bestimmung des Erregers die Verdachtsdiagnose gesichert bzw. die definitive Diagnose gestellt werden kann. Hierzu gehört der Nachweis einer charakteristischen Morphologie durch Mikroskopie und Färbemethoden (wie z. B. die Gram-Färbung) und die Erstellung einer Reinkultur zum Nachweis erregerspezifischer Stoffwechselleistungen. Erweitert werden diese Methoden durch den Nachweis erregerspezifischer Antigene, durch molekularbiologische Nachweisverfahren und den Nachweis einer erregerspezifischen Immunreaktion (. Abb. 17.4).

17.2.3

17

. Abb. 17.3. Isolation von Reinkulturen

Wachstumsphasen und Vermehrung

Züchtet man bestimmte Bakterien, z. B. E. coli, in einer flüssigen Kultur über Nacht bei geeigneten Bedingungen, so kann man mehr als 109 Keime pro Milliliter erhalten. (Andere Bakterien, wie Mykobakterien vermehren sich sehr langsam, so dass man frühestens nach einer Bebrütung von 2–3 Wochen zu ähnlichen Konzentrationen kommt.) Die Wachstumskurve einer solchen Kultur ist in . Abb. 17.5 wiedergegeben.

263 17.2 · Bakterienwachstum

17

. Abb. 17.4. Ansätze der mikrobiologischen Labordiagnose

Wir sehen aus der Abbildung, dass eine frisch mit Bakterien beimpfte Kultur eine gewisse Zeit benötigt, bis sich die Keime auf das Medium umgestellt haben. Man nennt diese Phase, in der wenige Teilungen stattfinden bzw. die einzelnen Teilungsschritte länger dauern, die Anlaufphase (1. lag-Phase). Sie ist der einleitende Abschnitt im Wachstum einer Zellpopulation. Nach Überwindung der Anlaufzeit erreicht die Teilungsrate einen festen Wert, und die Kultur geht in eine exponentielle Phase des Wachstums über (2. log-Phase). In diesem Stadium nehmen nicht nur die Organismen und die Zellmasse, sondern auch die Proteine, RNA und DNA exponentiell zu. Mit der exponentiellen Vermehrung der Bakterien nimmt die Konzentration der Substrate in der

l Exkurs Bakterielle Kontaminationen

. Abb. 17.5. Wachstumskurve von Bakterien in einem flüssigen Nährmedium

Wegen der schnellen Vermehrungsrate der meisten Bakterienarten bedarf es in vielen Umweltbereichen einer ständigen Hygieneüberwachung, um Kontaminationen vorzubeugen. Denken wir nur an die Überwachung von Trinkwasser, von Schwimmbädern und Abwässern und an die bakteriologische Untersuchung von Lebensmitteln, wie Milch und Fleisch. Während zum Beispel das Innere unversehrten Fleisches i.d.R. so gut wie steril ist, wird die Oberfläche gleich nach Zerteilung des Tieres durch Staub und Verarbeitung verunreinigt. Folglich kann man hier alle organotrophen Bakterien nachweisen und auch solche aus der Erde, aus dem Mist und von dem Bearbeiter übertragene. Im Hackfleisch werden diese Verunreinigungen in das Innere des Fleisches transportiert. Durch den Hackprozess wird zudem das Fleisch erwärmt, so dass ausreichende Bedingungen für eine gute Bakterienvermehrung gegeben sind. Folglich ist die Zahl der Bakterien im Hackfleisch so groß, dass man 10 Mio. Keime pro Gramm als Sicherheitsgrenze ansieht.

Nährlösung ständig ab, der pH-Wert verändert sich, wachstumshemmende Stoffe können sich anhäufen und die Sauerstoffkonzentration im Medium sinkt unter einen kritischen Wert. Das Wachstum der Bakterienkultur nimmt dadurch ab (3. Retardationsphase) und kommt schließlich zum Stillstand (4. stationäre Phase). In der stationären Phase bleibt die Gesamtkeimzahl konstant, weil keine Zellteilungen mehr stattfinden oder weil nur soviel neue Zellen entstehen, wie alte absterben. Zuletzt folgt die Phase des beschleunigten und des exponentiellen Absterbens (5.).

264

Kapitel 17 · Wachstum einer Bakterienkultur

In Kürze

4 Bakterien lassen sich in der Regel problemlos auf flüssigen oder festen Nährböden vermehren. 4 Dabei muß man beachten, ob es sich um Aerobier oder Anaerobier handelt. Obligat intrazelluläre Formen vermehrt man in Zellkulturen. 4 Die Zellteilungsgeschwindigkeit ist meist hoch (20 min), es gibt aber Ausnahmen. 4 Auf festen Nährböden bilden Bakterien Kolonien. Jede davon entspricht einem Klon mit

17

oft mehr als 109 erbgleichen Bakterien, da sie alle von einem einzigen Ausgangsbakterium abstammen. 4 Die Bakterien-Kultur ist in der Regel Voraussetzung zur Bestimmung des Erregers bei Infektionskrankheiten. 4 Die Vermehrungsrate von Bakterien in einer flüssigen Kultur folgt einer charakteristischen Wachstumskurve mit Iag-Phase, exponentieller Phase, Retardationsphase, stationärerund Absterbephase.

265

18

18

Bakteriengenetik

> > Einleitung Unsere Kenntnisse über die Natur der DNA, die Transkription, Translation, Regulationssysteme und vieles mehr wurden vorwiegend aus der Forschung an Bakterien gewonnen. Wir wollen nun weitere genetische Erkenntnisse fokussieren, die bakterienspezifisch sind, d. h. in dieser Form nur bei Bakterien vorkommen, deren Wissen aber gerade für den Arzt von Bedeutung ist.

18.1

Genregulation

18.1.1

Unterschiede zwischen Pro- und Eukaryoten

Jede Zelle hat eine große Anzahl von Genen, die insgesamt eine Fülle von Informationen zur Produktion von Polypeptidketten enthalten. Natürlich werden nicht alle Proteine immer und zur gleichen Zeit benötigt. Es wäre nicht nur unsinnig und unökonomisch, wenn die Zelle ständig alle Informationen abrufen und in Proteine umsetzen würde. Es wäre auch ein geregelter Ablauf des Zellgeschehens gar nicht sicher zu stellen. Außerdem könnten die Zellen in verschiedenen Geweben keine differenzierten Aufgaben ausführen. Auch werden in der Individualentwicklung eines Organismus zwischen Embryogenese und adultem Zustand zu verschiedenen Zeiten verschiedene Gene benötigt. Gene müssen folglich reguliert werden. Dabei muss man zwischen Genregulation von Pro- und Eukaryoten unterscheiden: 4 Eukaryoten besitzen sowohl eine intrazelluläre, als auch eine interzelluläre Regulation. Reguliert wird direkt auf DNA-Ebene, auf Transkriptionsebene, auf Translationsebene, auf Enzymebene und auf Hormon- und Neurotransmitterebene. 4 Prokaryoten brauchen, da sie ja stets aus einer Zelle bestehen, nicht dieses komplexe System der Regulation. Bei ihnen ist die Regulation der Transkription der wichtigste Mechanismus. Im

Gegensatz zu höheren Organismen können alle Gene (bei E. coli sind es etwa 4.000) exprimiert werden, was aber natürlich auch nicht zur gleichen Zeit geschehen soll.

18.1.2

Negative Regulation der Transkription: Jacob-Monod-Modell

Bei der Regulation der Transkription kann man zwischen negativer und positiver Genregulation unterscheiden. Die negative Genregulation findet man besonders bei Prokaryoten. Sie wurde erstmals 1961 von François Jacob und Jacques Lucien Monod beschrieben. Regulator-, Operator- und Strukturgene. ! Nach dem Jacob-Monod-Modell gliedert sich die DNA in Gene, die für Enzyme codieren, in die Promotorregion, der ein Operatorgen angeschlossen ist, und in Regulatorgene. Die Beziehungen untereinander sind durch ein streng hierarchisches Prinzip geregelt.

4 Ganz oben in der Hierarchie stehen die Regulatorgene, die die Aktivität der Operatorgene steuern. Da die Regulatorgene i.d.R. räumlich von den Operatorgenen getrennt sind, verläuft der Steuerungsmechanismus über einen Mittler, den sog. Repressor. Der Repressor kann als Hemmstoff die Operatorgene inaktivieren. 4 Die Operatorgene ihrerseits herrschen über die Strukturgene und steuern deren Aktivität. Sie liegen unmittelbar vor den Strukturgenen. 4 Die Strukturgene sind die uns bereits bekannten Gene. Sie enthalten die Information über den Bau der Polypeptide, die dann über Transkription und Translation angeliefert werden. Strukturgene, die an der Synthese eines Endproduktes innerhalb einer Synthesekette beteiligt sind, liegen, zumindest bei Mikroorganismen, in einigen Fällen im Genom direkt hintereinander.

266

Kapitel 18 · Bakteriengenetik

Die Promotorregion mit dem Operator und die funktionell zusammengehörigen Strukturgene werden als Operon bezeichnet. Substratinduktion und Endproduktrepression. Die Einheit von Regulator-, Operator- und Strukturgenen kann sowohl 4 eine Aktivierung von Genen steuern, die zum Abbau eines bestimmten Substrats benötigt werden = Substratinduktion (. Abb. 18.1), als auch 4 eine Inaktivierung von Genen, wenn eine genügende Menge eines Endproduktes vorhanden ist = Endproduktrepression (. Abb. 18.2).

Vor einer Substratinduktion ist der vom Regulatorgen produzierte Repressor aktiv und blockiert das Operatorgen. Das blockierte Operatorgen unterbindet die Aktivität des kompletten Operons mit allen Strukturgenen, so dass an diesen keine mRNA gebildet werden kann. Ein Effektor kann die sterische Struktur des Repressors verändern. Der verformte Repressor passt nun nicht mehr auf das Operatorgen, so dass die Blockade des Operons aufgehoben wird. Die Strukturgene sind damit frei für eine Transkription. Der beschriebene Effektor kann (muss jedoch nicht) das abbauende Substrat selbst sein, daher der Name Substratinduktion. Bei der Endproduktrepression sind die Verhältnisse umgekehrt: Der vom Regulatorgen gebildete

. Abb. 18.1. Schema der Substratinduktion

18

Repressor ist zunächst inaktiv, das Operatorgen also nicht blockiert und die Strukturgene des Operons bilden mRNA. Der Repressor kann jedoch durch einen Effektor aktiviert werden und verschließt dann das Operon, so dass eine Transkription an den Strukturgenen unmöglich wird. Der Effektor ist hier das Endprodukt einer Reaktion oder einer Reaktionskette, deren Enzyme über das betreffende Operon angeliefert werden. Wir haben nun erfahren, dass bei der Steuerung der Genaktivität Repressoren eine zentrale Rolle spielen. Sie sind bei der Informationsübertragung Kern-Plasma die Antagonisten der mRNA. Während die mRNA die Information vom Kern ins Plasma trägt, übermitteln die Repressoren dem Genom mit Hilfe der Effektoren einen Lagebericht von der Situation im Plasma. Subtratinduktion und Endproduktrepression bezeichnet man auch als negative Regulation, da ein aktiver Repressor immer die Informationsabgabe eines Operons verhindert und die Repressorwirkung somit negativ ist. Subtratinduktion am Laktose-Operon. Nach der Vorstellung der negativen Regulation in allgemeiner Form wollen wir nun die Subtratinduktion am Laktose-Operon von E. coli betrachten: Wächst E. coli in einem Medium, das Glukose enthält, so ist das Laktose-Operon durch ein Repressorprotein (codiert von lael) blockiert. Die Strukturgene des Laktose-Operons liegen, wie bei Prokaryoten üblich, hintereinander in enger Nachbarschaft und codieren für drei Enzyme, um Laktose in Glukose und Galaktose aufzuspalten: das Spaltungsenzym β-Galaktosidase, die Permease, die die Laktose in die Zelle holt, und eine Transacetylase (. Abb. 18.3). Tauscht man nun im Nährmedium Glukose durch Laktose aus, so werden die Strukturgene induziert. Laktose wirkt als Effektor, der an das Repressorprotein bindet. Die Synthese der polygenischen mRNA für Laktose-abbauende Enzyme beginnt. Endproduktrepression am Tryptophan-Operon.

. Abb. 18.2. Schema der Endproduktrepression

Umgekehrt kann man die Endproduktrepression am Tryptophan-Operon beschreiben: Hier synthetisiert das Regulatorgen trp R zunächst einen inaktiven Repressor, das Operon ist offen, und es werden die Gene für die Tryptophan-

267 18.2 · Übertragung von Genmaterial und Antibiotikaresistenz

18

. Abb. 18.3. Regulation am Laktose-Operon

Synthese abgelesen. Ist genügend Tryptophan vorhanden, bindet es als Effektor an den inaktiven Repressor. Der Repressor wird aktiviert, bindet an die Operatorregion und schließt das Tryptophan-Operon. Die Enzymsynthese ist reprimiert (. Abb. 18.4).

18.2

Übertragung von Genmaterial und Antibiotikaresistenz

Vielen wird bekannt sein, dass Bakterien gegen Antibiotika resistent werden können. Setzt man einer Bakterienkultur Antibiotika zu, findet man mit geeigneten Selektionsmethoden immer einzelne Bakterien, die gegen eines oder mehrere Antibiotika resis-

tent sind, obwohl die Kultur an sich sensibel für diese ist. Weniger bekannt sein dürfte, dass diese Keime resistent sein können, ohne jemals mit dem betreffenden Antibiotikum in Berührung gekommen zu sein. So hat man beispielsweise Resistenzen gegen Sulfonamide, Streptomycin, Chloramphenicol, Penizillin, Tetrazyklin, Kanamycin, Neomycin, Ampicillin, Polymyxin und Radiomycin nachgewiesen. Die Bakterien erhalten diese Fähigkeit selten durch spontane Mutation, häufig jedoch durch Erwerb neuen genetischen Materials. Resistenz durch spontane Mutation mag uns aus unseren bisher erworbenen molekulargenetischen Kenntnissen einleuchten. Aber wie kann eine Resistenz durch »Neuerwerb« von genetischem Material zustande kommen? Dieses Problem gibt zu folgender Vorüberlegung Anlass:

268

Kapitel 18 · Bakteriengenetik

. Abb. 18.4. Regulation am Tryptophan-Operon

Höhere Organismen erhalten bei der Befruchtung je einen Chromosomensatz vom Vater und einen von der Mutter. Während den darauf folgenden Mitosen der diploiden Zellen und während der Meiose bei der Keimzellentwicklung finden Rekombinationen zwischen den beiden Chromosomensätzen statt, die eine Neukombination der Gene auf den Chromosomen zur Folge haben. Die haploiden Geschlechtszellen dieses Organismus enthalten dadurch schließlich einen neu zusammengestellten Chromosomensatz.

18

gang ist letztlich mit der Bildung einer Zygote vergleichbar, nur handelt es sich hier nicht um eine Verschmelzung von Zellen, sondern ausschließlich um eine Übertragung von DNA. Das übertragene DNA-Stück des Überträgerbakteriums paart sich mit dem des Empfängerbakteriums, und es findet eine Rekombination statt. Nach Art der Übertragung von DNA unterscheidet man bei Bakterien zwischen 4 Konjugation, 4 Transduktion und 4 Transformation.

! Der sexuellen Neukombination bei Eukaryoten stehen parasexuelle Vorgänge bei Prokaryoten gegenüber (. Übersicht 18.1).

18.2.1

Bakterien sind im Gegensatz zu höheren Zellen fast immer haploid und vermehren sich vegetativ durch Teilung. Um das genetische Material jedoch über spontane Mutationen hinaus variabel zu halten, können Teile des genetischen Materials von einem Bakterium in ein anderes übertragen werden. Der Vor-

Neben der bereits in 7 Kap. 7 erwähnten, 1928 von Griffith entdeckten Transformation, war die ca. 20 Jahre später von Lederberg und Tatum entdeckte Konjugation der zweite gefundene Mechanismus für die Genübertragung bei Bakterien. Man bezeichnet damit die Übertragung von chromosomaler DNA

Konjugation

269 18.2 · Übertragung von Genmaterial und Antibiotikaresistenz

18

. Übersicht 18.1. Neukombination des genetischen Materials in Eu- und Prokaryoten Eukaryoten

4 Neukombination der Chromosomen durch Verschmelzung haploider Genome bei der sexuellen Fortpflanzung 4 Neukombination der Chromosomen durch Rekombination

Prokaryoten

4 Neukombination des genetischen Materials durch parasexuelle Übertragung von DNA 4 Neukombination des genetischen Materials durch Rekombination Es werden drei Arten der Übertragung von DNA unterschieden: 1. Konjugation = Übertragung von DNA über F-Pili 2. Transduktion = Übertragung von DNA über Bakteriophagen 3. Transformation = Aufnahme von freier DNA

von einem Spenderbakterium in einen Empfänger, wobei das Spenderbakterium einen sog. Fertilitätsfaktor (F-Faktor) besitzt. Dies ist ein DNA-Molekül, das Strukturen der Zelloberfläche (F-Pili) determiniert, die zur DNA-Übertragung notwendig sind. Am besten ist der Vorgang bei E. coli (Stamm K 12) untersucht. Dabei gelten folgende Erkenntnisse als gut gesichert: 1. Der F-Faktor besteht aus doppelsträngiger DNA, die etwa 30 μm oder 100.000 Nukleotidpaare lang ist (1/40 des bakteriellen Chromosoms). 2. Der F-Faktor kann in zwei möglichen Zuständen vorkommen: Er kann in das Chromosom des Bakteriums integriert sein oder einen eigenständigen, kleinen, übertragbaren DNA-Ring (Plasmid), sozusagen ein Zusatzchromosom, bilden. 3. Bakterien, die den F-Faktor in Form eines Plasmids besitzen, werden als F+-Stämme bezeichnet, fehlt er, spricht man von F--Stämmen. Das Plasmid liegt gewöhnlich einzeln in einer Bakterienzelle vor und repliziert sich einmal während der Replikation des Hauptchromosoms. 4. In seltenen Fällen kann der F-Faktor in das Hauptchromosom integriert werden (ungefähr einmal auf 105 in jeder Generation). Abkömmlinge dieser Zellen übertragen mit hoher Frequenz Wirtsgene, die bei der Herauslösung des F-Faktors aus dem Hauptchromosom hängen

geblieben sind. Man bezeichnet sie daher als Hfr-Stämme (High frequency of recombination). Da dieser Vorgang oberflächlich der Transduktion ähnelt, wurde er als Sexduktion bezeichnet (. Abb. 18.5) 5. Die Integration des F-Faktors in das bakterielle Chromosom erfolgt an bestimmten Stellen der DNA, die man als Insertionssequenzen (IS) bezeichnet. Es gibt vier solcher Sequenzen auf dem F-Faktor und mehr als zwanzig auf dem Chromosom von E. coli. Paarungen zwischen zwei homologen IS-Elementen auf dem F-Plasmid und der chromosomalen DNA führen an diesem Punkt zur Rekombination und damit zur Insertion von F auf dem E. coli-Chromosom (. Abb. 18.6). 6. Eine Hfr-Zelle kann bei Paarung mit einer F-Zelle das Spenderchromosom ganz oder nur teilweise in den Empfänger übertragen. Mechanismus der DNA-Übertragung. Für den Transfer des F-Faktors wird ein Strang des DNADoppelstranges in der Spenderzelle durch eine Endo-DNAse geöffnet. Es wird immer nur ein DNAEinzelstrang übertragen und anschließend von der Empfängerzelle zum Doppelstrang repliziert (. Abb. 18.7). Bei Hfr-Zellen wird die DNA-Übertragung mit der DNA, die am Ende des F-Faktors folgt, fortgesetzt, und ihre Gene werden in linearer

. Abb. 18.5. Die Fertilitätstypen von E. coli K 12. F- ohne Fertilitätsfaktor, F+ mit F-Plasmid, Hfr F-Faktor ins Genom eingebaut

270

Kapitel 18 · Bakteriengenetik

. Abb. 18.6. Einbau und Lösen eines F-Faktors in und aus dem Bakterien-Chromosom

18 Reihenfolge übertragen. Dabei ist zu beachten, dass die Öffnungsstelle immer nahe am Hinterende des integrierten F-Faktors auftritt. Er zieht die bakterielle DNA also nicht hinter seiner nach, sondern er muss das gesamte Bakterienchromosom vor sich herschieben, um komplett in das Bakterium zu ge-

langen. Die Übertragung beginnt mit konstanter Geschwindigkeit. Bei 37°C werden ungefähr zehn Basenpaare pro Minute übertragen. Durch experimentellen Abbruch der Übertragung zu verschiedenen Zeiten und Untersuchung der Qualität und Anzahl der übertragenen Gene gelingt eine

271 18.2 · Übertragung von Genmaterial und Antibiotikaresistenz

18

. Abb. 18.7. Transfer eines F-Faktors in Form eines DNA-Einzelstranges. Beim Eintritt in den Empfänger wird der komple-

mentäre Strang synthetisiert und die homologen Abschnitte zwischen Spender und Empfänger paaren sich

entsprechende Kartierung. Hierdurch gelang es, das Chromosom von E. coli, dem wohl wichtigsten LaborOrganismus, zu charakterisieren.

Dieser rasche Erwerb von Antibiotikaresistenz hat die Biologen zur Zeit der Entdeckung der R-Faktoren überrascht. Inzwischen hat sich herausgestellt, dass viele Resistenzgene nicht für immer an ihren DNATräger gebunden sind. Man hat sie daher als »springende Gene« bezeichnet. Sie können mit flankierenden Sequenzen von einem DNA-Molekül in ein anderes transponiert werden. Die übertragene Einheit nennt man Transposon. Transposons können 4 von einem Plasmid in ein anderes, 4 vom Plasmid auf das Hauptchromosom oder 4 vom Plasmid auf das Genom eines transduzierenden Phagen übertragen werden.

! Die Übertragung der DNA durch Konjugation bei der Sexduktion kann zur Kartierung der Gene auf dem Spenderchromosom aufgrund ihrer Eintrittszeiten in die Empfängerzelle herangezogen werden.

Weitere übertragbare extrachromosomale Faktoren. Neben den harmlosen F-Faktoren gibt es

noch andere, weit gefährlichere Zusatzchromosomen. Diese können wie die F-Faktoren in andere Bakterien weitergegeben werden. Man bezeichnet sie zusammenfassend als Plasmide oder Episomen. Am wichtigsten sind die Resistenzfaktoren (RFaktoren) gegen Antibiotika, womit wir bei der Erklärung der Antibiotika-Resistenz durch Neuerwerb genetischen Materials angelangt wären. Diese R-Faktoren, die ursprünglich einmal auf seltenen mutativen Ereignissen beruhten, können auch von einer Bakterienart auf eine andere, ursprünglich antibiotikasensible, übertragen werden. Dort können sie sich wie eine Epidemie ausbreiten, z. B. von harmlosen E. coli-Darmbakterien auf Salmonella, den Erreger des Typhus. Während eine Resistenz von E. coli gegen Antibiotika harmlos für den Träger dieser Keime ist, kann sich eine Übertragung des R-Faktors auf Typhusbakterien sehr gefährlich auswirken, da sich bei einem mehrfach resistenten Stamm eine wirkungsvolle Antibiotikabehandlung als äußerst problematisch und schwierig erweisen kann.

Alle bekannten Transposons tragen an ihren Enden Nukleotidsequenzen, die zueinander komplementär und gegenläufig sind. Bei manchen Transposons werden diese Sequenzen durch IS-Elemente (s. o.) gebildet, die auch im Bakterienchromosom vorkommen. Transposons können neben Resistenzgenen auch Gene für Enzyme enthalten, die den Einbau dieser DNA-Elemente in die EmpfängerDNA durchführen. Klinik Resistenzen durch Antibiotikatherapie Verabreicht man Tieren, die zu Nahrungszwecken gezüchtet werden, Antibiotikazusätze im Futter, wie dies leider immer noch üblich ist, so selektiert man damit die gegen das Antibiotikum resisten6

272

Kapitel 18 · Bakteriengenetik

ten Keime heraus, und die sensiblen sterben ab. Diese resistenten Keime können sich dann ungehindert vermehren und Stämme bilden, die mehrfache Resistenz auch gegen andere Antibiotika tragen, wenn nur eines der Resistenzgene gegen das verfütterte Antibiotikum schützt. Dies kann eine ernste Gefahr für den Menschen darstellen. Auch in der Humanmedizin müssen Antibiotikabehandlungen auf das medizinisch notwendige Minimum eingeschränkt werden, da jede Antibiotikatherapie zur Selektion resistenter Bakterien führt. Aus Genetiker-Sicht wäre eine Kombinationstherapie mit mehreren Antibiotika wünschenswert, da dies der effektivste Weg ist, das Auftreten resistenter Bakterien zu verhindern. Neben diesem Gesichtspunkt müssen vom Arzt aber auch klinische, pharmakokinetische, wirtschaftliche und juristische Faktoren berücksichtigt werden.

Antibiotikum liegt in der Größenordnung von 10-6. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Bakterium zu einer Doppelresistenz mutiert, liegt folglich in der Größenordnung von 10-12, da die Wahrscheinlichkeit für das gleiche Auftreten zweier Ereignisse gleich dem Produkt der Einzelwahrscheinlichkeiten ist. In einer Bakterienpopulation üblicher Größe werden daher Bakterien mit doppelter Resistenz i. Allg. nicht durch Mutationen neu entstehen.

18.2.2

Transduktion

Wir haben eingangs erwähnt, dass Resistenz gegen Antibiotika außer R-Faktoren auch spontane Mutationen zur Ursache haben kann. Die Wahrscheinlichkeit für die Mutation zur Resistenz gegen ein

Transduktion ist definiert als die Übertragung von DNA aus einer Spenderzelle in einen Empfänger, wobei die Übertragung über lysogene Viren (Bakteriophagen, 7 Kap. 20) erfolgt (. Abb. 18.8 und 18.9). Man unterscheidet dabei zwischen allgemeiner und spezieller oder begrenzter Transduktion: Während bei der allgemeinen Transduktion eine zufällige DNA-Region des Spenders übertragen wird, wird bei der speziellen Transduktion stets die gleiche DNA-Region übertragen. Bei der Aufnahme von Spender-DNA in das Virus wird immer ein Stück Virus-DNA durch die

. Abb. 18.8. Versuch von Zinder und Lederberg, der zur Entdeckung der Transduktion führte. Über einen Phagen wird

vom Stamm his-try+ das try+-Allel auf den Stamm his+tryübertragen, der dadurch zum Stamm his+try+ wird

18

273 18.2 · Übertragung von Genmaterial und Antibiotikaresistenz

18

. Abb. 18.9. Transduktion eines Bakteriengens vom Spender- in den Empfängerstamm

Spender-DNA ersetzt. Dies führt dazu, dass die meisten Transduktionen abortiv verlaufen, ja häufig enthält das transduzierende Partikel nur noch wenig oder gar keine Phagen-DNA mehr. Der Phage ist folglich nicht in der Lage, die Empfängerzelle zu lysogenisieren und sich mit ihr zu replizieren. Trotzdem ist die Transduktion vielleicht die am häufigsten eingesetzte klassische Methode zur Kar-

tierung bakterieller Gene auf kurzen Chromosomenabschnitten. Je geringer nämlich der Abstand zweier Gene ist, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass sie gemeinsam transduziert werden. Dies ermöglicht eine relativ leichte Bestimmung von Lagebeziehungen nahe beieinander liegender Loci.

274

Kapitel 18 · Bakteriengenetik

. Abb. 18.10. Transformation von Bakterien

! Genetische Karten, die durch Transduktion erstellt wurden, stimmen gewöhnlich mit solchen, die durch Konjugation erhalten wurden, überein, zeigen aber deutlich mehr Feinheiten.

18.2.3

Transformation

nennt man Transformation (7 Transformationsversuch von Griffith). In der Gentechnologie wird der Begriff Transformation auch für die Übertragung von extrahierter Plasmid-DNA in eine Wirtszelle benutzt. Gerade die Einbringung von Fremdgenen in Mikroorganismen durch Transformation hat in den letzten Jahren überragende Bedeutung gewonnen (. Abb. 18.10)

Genübertragung ohne jeglichen Zellkontakt durch freie DNA, die aus einem Spender freigesetzt wurde, In Kürze

18

4 Die Regulation der Transkription ist bei Prokaryoten der wichtigste Regulationsmechanismus. Dabei ist der Mechanismus der negativen Genregulation der entscheidende Prozess, bei dem ein aktiver Repressor immer die Informationsabgabe eines Operons verhindert, die Repressorwirkung somit negativ ist. 4 Der Ablauf der negativen Regulation wird durch das Jacob-Monod-Modell beschrieben. 4 Man unterscheidet zwischen Substratinduktion (Beispiel: Laktose-Operon) und Endproduktrepression (Beispiel: Tryptophan-Operon). 4 Bakterien erhalten neues genetisches Material in der Regel nicht durch Mutation sondern durch parasexuelle Vorgänge. Man unterscheidet zwischen Konjugation (Übertragung von

DNA über F-Pili), Transduktion (Übertragung von DNA über Bakteriophagen) und Transformation (Aufnahme von freier DNA). 4 Resistenz gegen Antibiotika kann über jeden dieser Mechanismen übertragen werden. 4 Eine besondere Rolle spielen dabei Transposons, mobile genetische Elemente mit dem Enzym Transponase, das alle Schritte der Transposition katalysiert. Sie haben charakteristische Sequenzen an den Enden und weitere Gene z. B. für Antibiotikaresistenz, die bei der Transposition mit übertragen werden. 4 Transposons und damit Resistenzen können von einem Plasmid in ein anderes, vom Plasmid in das Hauptchromosom oder vom Plasmid in das Genom eines transduzierenden Phagen übertragen werden.

275

19

19 Pilze > > Einleitung Pilze unterscheiden sich erheblich in Aufbau, Stoffwechsel und Vermehrungszyklus von den bisher behandelten Organismen. Sie sind nicht nur Erreger von Infektionskrankheiten, sondern spielen auch als Erzeuger von starken Giften und Antibiotika eine wichtige Rolle für den Menschen.

Pilze sind neben Tieren und Pflanzen eine dritte Gruppe eukaryotischer Lebewesen. Von Tausenden bekannter Pilzarten sind nur etwa 50 human- oder tierpathogen. Als Erreger von Pflanzenkrankheiten sind weit mehr Arten bekannt.

Klinik Humanpathogene Pilze Die Pilzinfektionen des Menschen kann man in oberflächliche, subkutane und tiefe Mykosen unterteilen. Oberflächliche Mykosen (z. B. an Haut, Haaren oder Nägeln) verlaufen häufig chronisch und verhalten sich bei einer Behandlung sehr resistent. Normalerweise sind sie jedoch keine Bedrohung der allgemeinen Gesundheit eines Patienten. Tiefe Mykosen sind dagegen häufig Allgemeininfektionen und mitunter lebensbedrohlich. Bei der Behandlung von systemischen Pilzinfektionen des Menschen sind Azol-Antimykotika von besonderer Bedeutung. Sie hemmen die Biosynthese des für den Aufbau der Pilzmembran notwendigen Ergosterins auf einer späten Stufe des Syntheseweges und sind im Vergleich zu anderen Verbindungen für den Menschen gut verträglich und daher häufig die einzige therapeutische Alternative. Andererseits werden in der Landwirtschaft vor allem zur Bekämpfung von Pilzerkrankungen im Getreide- sowie im Obst- und Weinbau ebenfalls Azol-Derivate eingesetzt und zählen zu einer der wichtigsten Wirkstoffgruppen im Pflanzenschutz. In Anbetracht dieser Situation wurden in jüngster Zeit Bedenken gegen den Einsatz von Azol-haltigen Pflanzenschutzmitteln erhoben. Es wurde die Vermutung geäußert, der Einsatz dieser Stoffe in flächenmäßiger Anwendung bewirke eine Selektion resistenter, potenziell humanpathogener

Pilze in der Umwelt, die dann auf den Menschen übergehen und zu lebensbedrohlichen systemischen Infektionen führen könnten. Auch könnten Azol-Rückstände in der Nahrung eine Azol-Resistenz bei der Pilzflora von Mensch und Tier induzieren. Ob zwischen der Anwendung im Pflanzenschutz und dem zunehmend beobachteten Vorkommen von resistenten Pilzen beim Menschen ein Zusammenhang besteht, ist Gegenstand umfassender Untersuchungen. Aufgrund ihrer Inhaltsstoffe können von Pilzen auch indirekte Gefahren für den Menschen ausgehen. Allen bekannt sind die giftigen Inhaltstoffe bei Pilzen mit großen Fruchtkörpern. Stellvertretend seien hier die Knollenblätterpilze (Amanita phalloides und Amanita virosa) genannt, die die DNA-abhängige RNA-Polymerase durch hochgiftige zyklische Oligopeptide hemmen und durch das Gift Phalloidin die Zytoplasmamembran der Leberzellen angreifen und schädigen. Noch viel gefährlicher sind mikroskopisch kleine Pilze, die Aflatoxin produzieren. Es handelt sich um den Schimmelpilz Aspergillus flavus, der neben Nüssen, Nussprodukten und Obst hauptsächlich Brot befällt. Aflatoxin ist das bisher stärkste bekannte Kanzerogen. Bereits 10-9 Mol sind toxisch für den Menschen, weswegen dringend vor dem Verzehr von befallenem Brot abzuraten ist. Auch nicht sichtbar befallene Stellen können bereits von Pilzfäden durchzogen sein.

276

Kapitel 19 · Pilze

19.1

Lebensweise

Pilze sind heterotrophe Organismen. Sie gewinnen ihre Baustoffe und die notwendige Stoffwechselenergie aus dem Ab- und Umbau organischer Verbindungen, was man als eine obligat heterotrophe Lebensweise bezeichnet. Als Destruenten sind sie auf die Produktion von organischem Material angewiesen. Im Gegensatz zu den Bakterien gehören Pilze zu den Eukaryoten. Ihre Zellen sind linear ca. zehnmal größer als die der Bakterien und sie besitzen echte Zellkerne mit Chromosomen und einer Kernmembran sowie Mitochondrien. Auch ihre Zellwände sind anders gebaut als die der Bakterienzellen. Sie bestehen vorwiegend aus Chitin oder Zellulose.

19.2

Wachstumsformen

Die meisten Pilze wachsen in Massen sich verzweigender und ineinander verschlingender Zellfäden, den Hyphen. Das gesamte Netzwerk nennt man Mycel. Hyphen besitzen zwar häufig Querwände, zumindest bei den primitiven Vertretern ist aber dennoch ein freier Durchfluss von Zytoplasma und Zellkernen möglich. Der gesamte Organismus besteht demnach aus einem Röhrensystem, wobei die Stützfunktion der Röhren durch Chitin gewährleistet ist. Es gibt aber auch einige wenige Typen, u. a. Hefen, die kein Mycel formen. Sie wachsen durch Sprossung. Dabei bildet sich an einer Mutterzelle eine mit Zytoplasma gefüllte Ausstülpung, in die ein Zellkern auswandert, und die sich schließlich als Spross- oder Tochterzelle abschnürt (. Abb. 19.1). Einige Pilze können abhängig von den Bedingungen durch Hyphen- und Sprossbildung wachsen. Sie können entweder von der einen zur anderen Wachstumsform wechseln oder gleichzeitig beide Wachstumsformen zeigen.

19

19.3

Vermehrung und Verbreitung

Pilze vermehren sich durch verschiedenartige Sporen. Dabei unterscheidet man zwischen geschlechtlichen und ungeschlechtlichen Sporen. Bei geschlechtlichen

. Abb. 19.1a–c. Pilzformen. a Hyphe mit Verzweigungen, b Sprossenwachstum, c Mycel

Sporen findet eine Kernverschmelzung statt, bei ungeschlechtlichen Sporen unterbleibt diese. Einfache ungeschlechtliche Sporen entwickeln sich durch Knospung und anschließende Abtrennung von der Mutterzelle (. Abb. 19.2a). Bei anderen Pilzen vergrößern sich Zellen einer Hyphe und entwickeln eine dicke Wand (. Abb. 19.2b). So ausgestattet sind diese Sporen resistent gegen ungünstige Milieubedingungen und keimen erst wieder aus, wenn günstigere Bedingungen für das vegetative Wachstum herrschen. Wieder andere Pilze können in einzelne Zellen fragmentieren (. Abb. 19.2c) oder spezialisierte Hyphen abklemmen (. Abb. 19.2d, . Übersicht 19.1). Klinik Vermehrung und Verbreitung humanpathogener Pilze Die Mehrzahl der Pilze von medizinischer Bedeutung bildet, soweit es bekannt ist, keine geschlechtlichen Sporen. (Man verwechsle diese Sporenbildung nicht mit den Endosporen der Bakterien.). Pilzinfektionen des Menschen erfolgen durch Einatmung sporenhaltigen Materials, durch Aufnahme infizierter Nahrungsmittel oder durch indirekten oder direkten Kontakt mit lebenden Pilzelementen. 6

277 19.4 · Stoffsynthese durch Pilze

19

. Abb. 19.2a–d. Vermehrung von Pilzen

. Übersicht 19.1. Grundcharakteristika von Pilzen Organisationsform

Eukaryoten

Größe

Linear ca. 10 x größer als Bakterien (5-10 μm oder größer)

Zellaufbau

Zellkern mit mehreren Chromosomen, Mitochondrien, Zellwände aus Chitin oder Zellulose

Lebensweise

Konsumenten oder Destruenten, obligat heterotroph

Wachstumsformen

Hyphen und Mycel, Sprossung

Vermehrung

Geschlechtliche und ungeschlechtliche Sporen

Die mykologische Diagnostik erfolgt mittels Agarkulturen, Flüssigkulturen, mikroskopischer Untersuchung und teilweise durch Tierversuche und serologische Testverfahren.

19.4

Stoffsynthese durch Pilze

Von vielen Pilzen werden giftige Stoffe produziert, die man als Mykotoxine bezeichnet. So produziert der Schimmelpilz Aspergillus flavus das Kanzerogen Aflatoxin. α-Amanitin, welches die RNA-Polymera-

se hemmt, haben wir bereits als Produkt des Knollenblätterpilzes kennengelernt. Das berühmte Penizillin, auch heute noch das therapeutisch am meisten verwendete Antibiotikum, wird von dem Schimmelpilz Penicillium notatum produziert. Andere Pilze synthetisieren Halluzinogene. So produziert Claviceps purpurea, der Pilz, der meist Roggen befällt und dessen schwarze Pilzkörper als sog. »Mutterkorn« bekannt sind, das Halluzinogen Ergotamin (. Übersicht 19.2).

278

Kapitel 19 · Pilze

. Übersicht 19.2. Pilzgifte, eine kleine Auswahl

Pilze

Mykotoxin

Wirkungsweise

Aspergillus flavus (Schimmelpilz)

Aflatoxin

Potentes Karzinogen

Amanita phalloides (Knollenblätterpilz)

Hauptgift: α-Amanitin

RNA-Polymerase-Hemmer

Penicillium notatum

Penizillin

Verhindert Neusynthese der bakteriellen Zellwand

Claviceps purpurea

Ergotamin

Halluzinogen

In Kürze

4 Etwa 50 Pilzarten sind human- oder tierpathogen. 4 Pilze gehören zu den Eukaryoten und haben eine obligat heterotrophe Lebensweise. 4 Pilze bilden Hyphen, die sich zu einem Mycel vernetzen oder sie wachsen durch Sprossung. 4 Die Vermehrung erfolgt über geschlechtliche und ungeschlechtliche Sporen. 4 Pilze produzieren Mykotoxine.

19

4 Humanpathogene Pilze verursachen oberflächliche, subkutane und tiefe Mykosen. 4 Azol-Antimykotika hemmen die Biosynthese des zum Aufbau der Pilzmembran notwendigen Ergosterins. Sie sind wichtige Therapeutika. 4 Das für den Menschen wichtigste Pilzprodukt ist das Penizillin des Schimmelpilzes Penicillium notatum.

279

20

20 Viren > > Einleitung Viren haben verschiedenartige Bedeutung in der Medizin: Sie sind Erreger zahlreicher Erkrankungen, können aber auch in der molekularen Forschung und – in modifiziertem Zustand – für Therapien eingesetzt werden.

20.1

Virusbegriff, Aufbau und Klassifikation

20.1.1

Virusbegriff

Noch kleiner als Bakterien sind Viren (20–300 nm im Durchmesser), infektiöse biologische Einheiten, die sich im Lichtmikroskop, von seltenen Fällen abgesehen, nicht nachweisen lassen (. Abb. 20.1). Sie besitzen im Gegensatz zu allen anderen Organismen keine Zellstruktur und unterscheiden sich von diesen in folgenden grundlegenden Eigenschaften: 4 Sie enthalten außer ihrem genetischen Material nur sehr wenig andere Stoffe (Proteine, Kohlenhydrate, Lipide). 4 Sie besitzen nur einen Typ von Nukleinsäure, entweder DNA oder RNA. 4 Zur Reproduktion ist lediglich die Nukleinsäure notwendig. 4 Sie sind für sich weder in der Lage zu wachsen noch sich durch Teilung zu vermehren; sie können sich nur in Wirtszellen vermehren, wobei sie die Enzyme der Wirtszelle benutzen. Gerade wegen des letzten Punktes gab und gibt es immer wieder unfruchtbare Streitgespräche, ob Viren zu den Lebewesen zählen oder als unbelebte Moleküle anzusehen sind, die nur in der Wirtszelle Lebensäußerungen zeigen. Der Verfasser ist jedoch der Ansicht, dass Viren zu den Lebewesen zu zählen sind, da sie erbliche Merkmale besitzen, auch wenn man sie aus den erwähnten Gründen nicht als selbständige Organismen ansehen will.

. Abb. 20.1. Maßstabsgerechter Größenvergleich zwischen einem Bakterium und verschiedenen Viren

l Exkurs Obligat intrazelluläre Parasiten Nicht verwechselt werden dürfen die Viren (7 Übersicht 20.1) mit den Chlamydien (7 Kap. 15). Auch sie sind obligat intrazelluläre Parasiten und durchlaufen im Zytoplasma der Wirtszelle einen charakteristischen Entwicklungszyklus, weswegen sie früher als Viren angesehen wurden. Sie besitzen jedoch wie Bakterien sowohl RNA als auch DNA, vermehren sich durch Zweiteilung, was bei Viren nie der Fall ist; besitzen eine bakterientypische Zellwand und Ribosomen. Rickettsien wurden früher ebenfalls als nahe Verwandte der Viren angesehen, da ihre Vermehrung innerhalb der Zelle stattfindet. Sie erregen beim Menschen Fieber und Exantheme. Heute gilt als gesichert, dass diese Gruppe zu den echten Bakterien zählt, da sich bei ihnen alle strukturellen Grundelemente der Bakterien nachweisen lassen.

280

Kapitel 20 · Viren

. Übersicht 20.1. Grundcharakteristika von Viren Größe

20–300 nm im Durchmesser

Aufbau

4 Nukleinsäure

DNA oder RNA, einzel- oder doppelsträngig

4 Proteine

4 4 4 4

4 Lipide

Bei allen Viren, deren Kapsid von einer Hülle umgeben ist

4 Kohlenhydrate

Bei vielen Vieren komplexe Polysaccharide in den Hüllen; Kohlenhydrate in den Köpfen von Phagen

Vermehrung

20.1.2

Strukturproteine zum Schutz der Nukleinsäuren Proteine für die Virusbindung an Rezeptoren der Wirtszelle Enzymproteine zur Virusvermehrung Proteine als Antigene

Obligat intrazellulär unter Umsteuerung der Funktionen geeigneter lebender Zellen; i.d.R. mit Schädigung des Wirtsorganismus

Aufbau

Die verschiedenen Virusgruppen differieren in Gestalt und Größe erheblich voneinander, besitzen jedoch eine Reihe charakteristischer Strukturen, die man an kompletten Viruspartikeln, den sog. Virionen, studieren kann. Virionen bestehen aus einem Genom, das von einem Proteinmantel (Kapsid) umschlossen ist. Das Kapsid setzt sich aus Strukturuntereinheiten zusammen, die man als Kapsomeren bezeichnet. Die Einheit von Nukleinsäure und Kapsid bezeichnet man als Nukleokapsid. Einfach gebaute Viren bestehen nur aus einem Nukleokapsid. Neben diesen gibt es Viren, die zusätzlich von einer Hülle umgeben sind,

20 . Abb. 20.2. Schema zum Aufbau eines Virions

die aus Lipoproteinen und teilweise aus Polysacchariden aufgebaut ist (. Abb. 20.2).

20.1.3

Klassifikation

Zur Klassifikation der Viren können, da diese keine Zelleinheit repräsentieren, nicht die in der Biologie üblichen Gesichtspunkte herangezogen werden. Man benutzt daher relativ willkürlich klinische Merkmale und morphologische und biologische Eigenschaften zur systematischen Gruppierung, wobei die nachfolgend aufgeführten Klassifizierungshilfen längst nicht bei allen Viren bekannt sind. Bei manchen Erregern kennt man nur wenige der aufgeführten Eigenschaften. Zur Klassifizierung dienen: 4 Aufbau der Nukleinsäure aus DNA oder RNA, 4 Form der Nukleinsäure (Doppel- oder Einzelstrang), 4 Größe und Morphologie, Symmetrieformen, Anzahl der Kapsomeren und Nachweis einer Membran, 4 Reaktion auf chemische und physikalische Einflüsse, v. a. auf Ether, 4 immunologische Eigenschaften, 4 Basensequenzierung und Proteinanalysen, 4 natürliche Übertragungsart, 4 Wirts-, Gewebs- und Zelltropismus, 4 Pathologie und Symptomatik der Erkrankung.

RNA

Vorhanden

40

15

15 30 50

15

15 30 20

D segmentiert

E

E segmentiert E E segmentiert

E segmentiert

E segmentiert E E

Helix

Unbekannt oder komplex

Vorhanden

Ikosaeder

12

E

Vorhanden

Fehlt

Komplexe Umhüllung

Komplex

400

D

vorhanden

50

180

Fehlt

Ikosaeder

D

Virion: Hülle

KapsidSymmetrie

D

7 10

E D circulär

DNA

Anzahl der Gene (ca.)

Einzel- oder Doppelsträngig

Art der Nukleinsäure

32?

92?

32

162

252

32 72

Anzahl Kapsomere

. Übersicht 20.2. Einteilung der animalischen Viren nach chemischen und physikalischen Eigenschaften

Empfindlich

Empfindlich

Empfindlich

Resistent

Resistent

Empfindlich

Resistent

Etherempfindlichkeit

Orthomyxoviridae Paramyxoviridae Rhabdoviridae

Bunyaviridae

Retroviridae

Arenaviridae Coronaviridae

Togaviridae

Reoviridae

Picornaviridae

Poxviridae

Herpetoviridae

Parvoviridae Papovaviridae (Polyomaviridae, Papillomaviridae) Adenoviridae

Virusfamilie

Encephalitis california, Nairobi-Schlafkrankheit Influenza Masern, Röteln, Mumps Vesiculäre Stomatitis

Lassa-Krankheit Infekte d. Respirationstrakts Tumorviren, Human Immunodeficiency Virus (HIV)

Gelbfieber, Zeckenencephalitis

Maul- u. Klauenseuche, Poliomyelitis, Hepatitis A

Pocken

Herpes simplex, Epstein-Barr

Infekte d. Respirationstrakts

Polyoma, Papilloma, SV40

Ausgelöste Krankheiten

20.1 · Virusbegriff, Aufbau und Klassifikation

281

20

282

Kapitel 20 · Viren

Daraus ergeben sich zehn RNA-Virusfamilien und fünf DNA-Virusfamilien mit ihren einzelnen Subfamilien (. Übersicht 20.2). Darüber hinaus lassen sich die verschiedenen Virustypen in 4 animalische Viren, 4 Pflanzenviren, 4 Bakteriophagen, 4 Mykoviren, 4 Mykoplasmaviren und 4 Viroide gruppenweise zusammenfassen. Man findet die verschiedensten Formen: Animalische Viren. Die für Poliomyelitis, Schnupfen sowie Maul- und Klauenseuche verantwortlichen Viren sind kleine, von 20 gleichseitigen Dreiecken begrenzte RNA-Viren. Das Pockenvirus, ein DNA-Virus, ist ein abgerundeter Quader. Durch Elektronenmikroskopie und biochemische Methoden war Näheres über seinen Aufbau zu erfahren. Es besitzt als äußerste Schicht eine umhüllende Membran, dann folgt nach innen eine periphere Proteinschicht, darunter eine proteinhaltige Doppelschicht und schließlich der DNA-haltige innere Raum.

. Abb. 20.3. Modell des Tabakmosaikvirus

Pflanzenviren. Pflanzliche Viren enthalten fast alle

RNA. Beim Tabakmosaikvirus, das auf Tabakblättern großen wirtschaftlichen Schaden anrichten kann, finden wir einen helikalen Aufbau. Das Virus besteht aus einem Hohlzylinder, der aus 2.100 schraubig angeordneten Proteinuntereinheiten gebildet wird. Eine Proteinuntereinheit ist aus 158 Aminosäuren aufgebaut, die Sequenz ist aufgeklärt. Die RNA des Virus ist in die Wand zwischen die Proteinuntereinheiten eingebettet, indem sie den Spiralwindungen folgt (. Abb. 20.3).

20

Bakteriophagen. Eine dritte für uns bedeutungsvolle Gruppe von Viren sind die bakterienspezifischen Bakteriophagen. Am besten untersucht sind die T-Phagen von E. coli. Der relativ komplizierte Aufbau dieser Phagen findet sich in . Abb. 20.4 am Beispiel des T2-Phagen. Wir können ein Kopfstück und ein Schwanzstück unterscheiden. Der hexagonale Kopf besteht aus einer Proteinhülle und enthält

. Abb. 20.4. Schematische Darstellung des Aufbaus eines T2-Phagen

im Inneren DNA. Der Schwanz ist ebenfalls aus zahlreichen Proteinmolekülen aufgebaut und ermöglicht die Infektion einer Bakterienzelle mit der DNA des Phagen. Viroide. Vor nicht allzu langer Zeit fand man eine Gruppe sehr kleiner Infektionserreger, die man als Viroide bezeichnet. Sie bestehen aus einer kleinen ringförmigen RNA, die ca. 200–400 Nukleotide lang ist. Durch Basenpaarung entsteht eine kleeblattähnliche Struktur. Der Informationsgehalt dieser

283 20.2 · Virusvermehrung

20

RNA ist sehr gering. Neben der RNA enthalten Viroide 1–2 Proteine. Der Replikationsmechanismus wird von einer Wirtszellpolymerase gesteuert. Sie sind sehr stabil gegenüber Erhitzen und organischen Lösungsmitteln, können aber durch Ribonuklease zerstört werden. Viroide besitzen als Krankheitserreger von Pflanzen große wirtschaftliche Bedeutung. Sie sind die Erreger der Exocortis-Krankheit von Zitrusbäumen, von Erkrankungen der Kartoffeln, der Tabakpflanzen, des Hopfens, der Kokospalmen u. a. Vielleicht sind Viroide auch für verschiedene Erkrankungen des Menschen verantwortlich.

20.2

Virusvermehrung

Viren vermehren sich im Inneren ihrer Wirtszelle, indem sie deren Proteinsyntheseapparat und viele andere Enzyme für ihre Eigensynthese nutzen. Dabei spielt es keine Rolle, ob es sich bei der Wirtszelle um eine höhere Zelle oder eine Bakterienzelle handelt.

20.2.1

Vermehrung in Bakterien

Virulente Phagen. Betrachten wir nun die Virus-

vermehrung am Beispiel eines T-Phagen in einer E. coli-Zelle (. Abb. 20.5): Stößt der Phage mit dem Bakterium zusammen, heftet er sich mit seinem kontrahierbaren Schwanz an Strukturen der Zelloberfläche und löst mit Hilfe eines im Schwanz befindlichen Enzyms die Zellwand lokal auf. Anschließend presst er seine DNA durch den Schwanzteil in das Bakterium hinein. Diese DNA benutzt nun den Proteinsyntheseapparat und entsprechende Enzyme der Bakterienzelle, die nach ihrer Vorschrift Proteine des Phagen produzieren, welche zu neuen Phagenhüllen zusammengesetzt werden. Gleichzeitig repliziert sich auch die DNA des Phagen. Außerdem werden Lysozyme hergestellt, die die Bakterienzellwände von innen auflösen. Durch die aufgelöste Zellwand können die neugebildeten Phagen entweichen. Der ganze Vorgang dauert durchschittlich 20 min. Temperente Phagen. Eine andere Phagengruppe, die sog. temperenten Phagen, haben nach der Infek-

. Abb. 20.5. Schema der Vermehrung von Phagen in einem Wirtsbakterium

tion eines Bakteriums zwei Möglichkeiten: Sie können in eine virulente Phase übergehen, also in die eben beschriebene Vermehrungsphase unter Zerstörung des Bakteriums, oder in eine friedliche Phase, wobei die DNA des Phagen in das Genom des Bakteriums eingebaut wird und sich mit diesem vermehrt (Lysogenie). Der so integrierte Phage (man spricht dann von einem Prophagen) kann sich aber aus dem Genom und damit aus der Kontrolle des Bakteriums auch wieder befreien und in die virulente Form übergehen. Abwehrmechanismen der Wirtszelle. Speziell Bak-

terienzellen sind in der Lage, die Virus-DNA nach ihrer Injektion zu erkennen und durch spezifische Nukleasen zu zerstören. Dazu kennzeichnen sie zunächst ihre eigene DNA mit einem spezifischen Methylierungsmuster: Modifikationsenzyme übertragen Methylgruppen auf Adenin und Cytosin, womit 6-Methyladenin und 5-Methylcytosin entstehen. Anschließend greift ein komplementäres Enzym die DNA an, die das zelleigene Muster nicht trägt. Man bezeichnet solche Enzyme als Restriktionsendonukleasen (zur überragenden Bedeutung dieser Enzyme in der Biotechnologie 7 Kap. 12.6.1).

284

Kapitel 20 · Viren

Abwehrmechanismen der Viren. Phagen haben ihrerseits Waffen entwickelt, um dennoch an ihr Ziel zu kommen. So tarnt z. B. das E. coli-Virus Lambda seine eigene DNA mit Wirtsmodifikationsmustern, indem es die wirtseigene DNA-Methyltransferase benutzt. Andere Phagen hemmen die Restriktionsendonuklease des Wirtes oder synthetisieren eine »Supermodifikations-Methyltransferase«, die die eigene DNA schützt usw. Das System erinnert an bekannte Mechanismen im humanen Angriffs- und Verteidigungsdenken.

20.2.2

Vermehrung in höheren Organismen

Betrachten wir nun die Virusvermehrung in eukaryoten Zellen, also in Zellen höherer Organismen. Wir können die Virus-Zell-Wechselbeziehungen in verschiedene Gruppen unterteilen: Schnell ablaufende Infektion. Sie ist verbunden mit

Zerstörung der Wirtszellen oder sogar des gesamten Wirts. Beispiel: Polio, Pocken, Influenza, Mumps, Masern-Enzephalitis und Tollwut. Langsame Infektion. Zur Ausbildung von Krankheitssymptomen wird eine relativ lange Zeit benötigt. Der Krankheitsbeginn ist charakteristischerweise schleichend, der Verlauf ist chronisch und nicht aufzuhalten und endet fast ausschließlich tödlich. Beispiel: viele Erkrankungen des Zentralnervensystems.

20

Inapparente Infektion. Weitverbreitete Infektion, die ohne Krankheitssymptome bzw. ohne erkennbare Schädigung des Wirts abläuft. Inapparente Infektionen werden zuweilen unterteilt in 4 latente, 4 persistierende, 4 symbiotische, 4 endosymbiotische, 4 okkulte und 4 maskierte Infektionen.

Latente Infektionen können durch bestimmte Einflüsse in einen akuten Zustand übergehen (z. B. Herpes simplex). Unter persistierenden Infektionen versteht man eine andauernde Virusvermehrung ohne Zerstörung der infizierten Zelle. Der Begriff symbiotische Infektion erscheint dem Autor nur gerechtfertigt, wenn sowohl Virus als auch Wirt aus der Wechselbeziehung Nutzen ziehen. Dies ist bisher nur für einige experimentelle Ansätze in Zellkulturen bekannt. Der Ausdruck endosymbiotische Infektion wird für eine persistierende Infektion, die durch Antibiotika-Behandlung nicht virusfrei wird, benutzt. Auch hier bestehen gegen den Begriff nach Ansicht des Autors wegen der in der Biologie sonst feststehenden Bedeutung für »Symbiose« Bedenken. Eine okkulte oder maskierte Infektion ist eine inapparente, bei der kein Virus nachgewiesen werden kann. Schritte der Virusvermehrung in Eukaryoten: 4 Der erste Schritt der Virusvermehrung wird als Adsorption bezeichnet. Hierbei spielen Rezeptoren eine Rolle, die auch für die Wirts- und Organspezifität der Viren verantwortlich sind. Sie bringen das Virus in Kontakt mit der Wirtszelle. 4 Das darauf folgende aktive Eindringen oder passive Aufnehmen des Virus bezeichnen wir als Penetration. Die Wirtszelle kann das Virus durch Phagozytose bzw. Pinozytose aufnehmen. 4 Anschließend folgt das Uncoating, das Freisetzen der Virusnukleinsäure. Über das Uncoating der Viren gibt es wenige experimentelle Befunde, dafür aber umso mehr Spekulationen. Ohne auf Einzelheiten eingehen zu wollen, können wir festhalten, dass das Freisetzen der Nukleinsäure aus der Virushülle bereits bei der Adsorption und Penetration eingeleitet werden kann und im Zytoplasma weitergeführt wird. 4 Nach der Freisetzung der Nukleinsäure ist das Virus in der Zelle für eine gewisse Zeit nicht nachweisbar. Diesen Zeitraum bezeichnet man als Eklipse. Während der Eklipse läuft die Synthese, die Vermehrungsphase, ab, die mit Hilfe des Proteinsyntheseapparates und vieler anderer Enzyme der Wirtszelle stattfindet.

285 20.2 · Virusvermehrung

4 Danach folgt der Prozess der Reifung, eine Phase, in der die Viren aus neu synthetisierten Untereinheiten zusammengesetzt werden. 4 Die nachfolgende Ausschleusung der Viren kann vielfältiger Art sein, je nachdem, wie die Wirtszelle auf die Infektion reagiert. So kann es zum Zellzerfall, zum Durchwandern der Membran oder zur Ausknospung, wie z. B. beim Influenzavirus kommen. In vielen Fällen führt eine solche produktive Virusinfektion zu Krankheitserscheinungen beim Wirt nach der oben beschriebenen Einteilung. Kommt es nicht zu Krankheitserscheinungen, so spricht man von einer abortiven Infektion. Die abortive InfekKlinik Stand der Wissenschaft bei Papillomviren Papillomviren sind relativ kleine Viren (Durchmesser 55 nm) und bestehen aus nur zwei Proteinen und dem etwa 8.000 Basenpaare großen DNA-Genom. Sie sind sehr weit verbreitet und kommen bei vielen Säugetieren und Vögeln vor. In der Familie der Papillomaviridae sind allein mehr als 130 humanpathogene Papillomvirus-Typen (HPV) bekannt. Alle infizieren ausschließlich die Epithelzellen der Hautoder Schleimhäute und replizieren in den differenzierten suprabasalen Zellen. Es findet keine Ausbreitung über Blut oder Lymphe (Virämie) statt. Papillomviren werden in kutane (Haut) und mukosale (Schleimhaut) Typen unterteilt. Da die Infektion in den Zellen der Basalschicht stattfindet, sind kleine Verletzungen notwendig, damit die Viruspartikel zu diesen Zellen vordringen können. Die kutanen Papillomviren verursachen gutartige Warzen. Ein Zusammenhang bestimmter Typen mit nicht-Melanom Hautkrebs wird diskutiert, ist aber nicht bewiesen. Bei den HPV Typen mit Tropismus für die Schleimhäute unterscheidet man zwischen Niedrigrisiko-Typen, die gutartige Proliferationen (Condylomata acuminata, Larynxpapillome) bewirken und Hochrisiko-Typen, die maligne Tumore induzieren können. Die häufigste durch HPV verursachte Krebserkrankung ist das Zervixkarzinom, aber auch Perianalkarzinome und ein Teil der Vulva- und Penis6

20

tion wird also der produktiven gegenübergestellt und führt nicht zur Freisetzung infektiöser Viren, sondern von Viruskomponenten.

20.2.3

Vermehrung karzinogener Viren

DNA-Tumorviren. Es gibt Viren, die ähnlich einem temperenten Phagen in höhere Zellen integriert werden können und zur tumorösen Entartung der Zelle führen. So kann offenbar die DNA des Polyomvirus, das auch für Mäuse krebserzeugend ist, eine Instabilität des zellulären Genoms auslösen.

karzinome sowie bestimmter HNO Tumoren sind mit diesen Viren assoziisiert. Insgesamt sind somit etwa 50% (4%) aller durch Infektionen bedingten Krebsfälle bei Frauen (Männern) durch HPV bedingt. Am besten untersucht ist der Zusammenhang zwischen HPV und dem Zervixkarzinom. Jährlich werden weltweit etwa 500 000 neue Fälle dieser Erkrankung diagnostiziert, wobei etwa 270 000 Frauen pro Jahr daran sterben. Fast alle der untersuchten Tumore enthalten die Genome eines der Hochrisiko HPVTypen, wobei HPV 16 für etwa 50% und HPV 18 für etwa 20% der Krebsfälle verantwortlich ist. Die Viren werden in den meisten Fällen durch Geschlechtsverkehr übertragen. Die meisten jungen Frauen infizieren sich irgendwann, die Infektionen bleiben aber ohne Symptome und verschwinden im Regelfall innerhalb von einigen Monaten wieder. Etwa 5% der Frauen entwickeln jedoch eine chronische Infektion, die dann über die Entwicklung von Krebsvorstufen (Dysplasien) nach 2–3 Jahrzehnten zum Tumor führen kann. Der Mechanismus der Krebsentstehung ist auf molekularer Ebene gut verstanden. Die sog. frühen viralen Proteine E6 und E7 führen zur Proliferation von Epithelzellen – eine Voraussetzung für die Replikation der Viren – aber auch zur Instabilität des zellulären Genoms.So können als seltenes Ereignis und nach langer Zeit einzelne Zellklone mit der Fähigkeit zu invasivem Wachstum entstehen. In den meisten

286

Kapitel 20 · Viren

westlichen Ländern der Welt werden Programme zur Früherkennung (Pap-Screening) angeboten, in deren Rahmen die Vorstufen entdeckt und behandelt werden. Männer sind ebenfalls in großem Maße von Infektionen mit Hochrisiko-Typen betroffen und spielen daher als Überträger eine bedeutende Rolle. Allerdings kommt es bei immunkompetenten Männern nur in seltenen Fällen zur Tumorentstehung. Seit kurzem sind zwei Impfstoffe auf dem Markt, die vor der Infektion mit den beiden wichtigsten Hochrisiko Typen (HPV 16 und 18) und den daraus entstehenden Krebsvorstufen schützen. Daten zum Schutz vor Zervixkarzinom bzw. den anderen mit diesen Viren assoziierten Krebsformen liegen aufgrund der langen Zeit zwischen Infektion und Erkrankung noch nicht vor. Es ist wichtig, diese Impfstoffe auch den Frauen in Län-

dern der Dritten Welt zugänglich zu machen, in denen mehr als 80% der weltweiten Fälle von Zervixkarzinomen auftreten, zum größten Teil wegen der dort nicht zur Verfügung stehenden Screeningprogramme (siehe auch Abb. Bucheinband). Für die Entdeckung und Charakterisierung der natürlichen Geschichte der HPV-Infektion und das Verstehen der Mechanismen HPV-ausgelöster Krebsentstehung erhielt Prof. Dr. med. Dr. h. c. mult. Harald zur Hausen (Deutsches Krebsforschungszentrum Heidelberg) 2008 den Nobelpreis für Physiologie und Medizin (. Abb. 20.6). Harald zur Hausen hat sich bereits in den 1970er Jahren gegen ein medizinisches Dogma gewandt, indem er postulierte, dass Viren Krebs auslösen können, was letztlich zur Entwicklung von vorbeugenden Impfstoffen gegen HPV-Ansteckung geführt hat.

RNA-Tumorviren (Retroviren). Neben den DNA-Tu-

. Abb. 20.6. Harald zur Hausen

20

morviren können auch RNA-Tumorviren ihr Genom stabil mit der Wirtszelle verkoppeln. Diese Viren enthalten ein spezielles Enzym, die sog. RNAdirected DNA-polymerase, die auch den Namen Reverse Transkriptase trägt. Nach Infektion der Wirtszelle stellt dieses Enzym eine doppelsträngige DNAKopie der Virus-RNA her. Die Virus-RNA dient also als DNA-Matrize. Viren mit Reverser Transkriptase nennt man aus diesem Grunde auch Retroviren. Die DNA kann anschließend in ein Chromosom der Wirtszelle integriert werden, was zu einer lebenslangen Viruspersistenz führt. Mit zelleigenen Enzymsystemen werden von der integrierten DoppelstrangDNA wieder genomische Einzelstrang-RNA und virale mRNA synthetisiert. Mit der Information auf der mRNA werden die viralen Proteine hergestellt. Das fertige Virion wird dann an zellulären Membranen aus den verschiedenen Strukturkomponenten zusammengebaut (assembly). Schließlich wird das Virusteilchen immer weiter aus der Zelle herausgeschoben, von der Membran abgeschnürt und freigesetzt.

287 20.2 · Virusvermehrung

20

Klinik Bedeutende humanpathogene Retroviren Das bekannteste Retrovirus ist wahrscheinlich das Human immunodeficiency virus (HIV-1 oder HIV2, . Abb. 20.7 und 20.8). Aufgrund ungewöhnlich häufiger atypischer Lungenentzündungen und sehr seltener Hauttumoren bei vorher gesunden Männern wurden 1981 Mediziner in San Francisco und New York auf eine neue Erkrankung aufmerksam, das Acquired immunodeficiency syndrome (AIDS). 1983 entdeckte Luc Montagnier vom Pasteur-Institut in Paris das HI-Virus. Definiert ist AIDS durch einen irreversiblen Zusammenbruch des T-Zell-abhängigen Immunsystems. Es kommt symptomatisch zu begleitenden opportunistischen Infektionen wie Pneumonie und/oder zum Auftreten des Kaposi-Sarkoms (maligne Tumoren der Blutgefäße, bevorzugt der Haut und der inneren Organe) und anderer Tumoren. Im Zentralnervensystem tritt eine pathologische Proliferation der Gliazellen auf und Degeneration der weißen Substanz.

. Abb. 20.7. Human Immunodeficiency Virus (HIV)-Modell. Zentral gelegen der konische Ribonukleoproteinkomplex im Kapsid, peripher die Oberflächenantigene (Glykoproteinnoppen) (Aus Koch 1989)

. Abb. 20.8. Replikationszyklus des Human Immunodeficiency Virus (HIV)

6

288

Kapitel 20 · Viren

Das T4-Antigen auf der Oberfläche der T-Lymphozyten dient dem Virus als Rezeptor, an den es mit dem Glykoprotein gp120 bindet. Ebenso wie T-Lymphozyten werden die T4-spezifischen Makrophagen und die T4-Monozyten von dem Virus zerstört. Damit bricht die T-Zell-abhängige Antikörperbildung und die zelluläre Immunität zusammen. Diagnostisch wurden seit 1984 mit großer Intensität serologische Tests entwickelt. Grundsätzlich wäre es am befriedigendsten, das HIV direkt an Zellen oder im Blut nachzuweisen. Dies gelingt grundsätzlich durch Nukleinsäurehybridisierung, ist aber für Routineuntersuchungen am Menschen aufwändig. Folglich wurden bereits bestehende Testsysteme weiterentwickelt, die spezifische Antikörper im Patientenserum nachweisen. Es sind dies der enzyme linked immunosorbent assay (ELISA) – der bei positivem Ergebnis durch einen Western-Blot abgesichert werden sollte –, ein Immunofluoreszenztest, die Methode der Radioimmunpräzipitation und der Nachweis der Reversen Transkriptase. Man muss sich jedoch darüber im Klaren sein, dass die meisten gebräuchlichen Verfahren eine HIV-Infektion erst frühestens 45 Tage nach der An-

20.3

Diagnose und Therapie von Viruserkrankungen

20.3.1

Diagnose

! Bei der Diagnose von Viruserkrankungen bevorzugt man aus Zeit- und Kostengründen i. Allg. serologische Methoden. In bestimmten Fällen ist aber eine exakte Isolierung und Typisierung unumgänglich.

20

Als Ausgangsmaterial dienen Blut, Sputum, Fäzes, Urin, Biopsiematerial, Organe usw. Nach entsprechender Aufarbeitung des Ausgangsmaterials lassen sich Viren entweder in Zellkulturen oder in Versuchstieren kultivieren. Lebloses Nährsubstrat, wie wir es aus der Bakteriologie kennen, kann nicht verwendet werden, da sich Viren ja ausschließlich in lebenden Wirtszellen reproduzieren. Zur Herstel-

steckung anzeigen. Bestätigungstests erfolgen mit der PCR-Methode. Da es gegenwärtig noch keine das Virus direkt angreifende Therapie gibt, wenn auch inzwischen eine Lebenszeit-verlängernde Medikation existiert, besteht die einzige Möglichkeit in entsprechender Prophylaxe. Das HIV ist außerhalb des Körpers relativ empfindlich, so dass es entweder durch direkten Körperkontakt beim Geschlechtsverkehr über die im Ejakulat befindlichen Viren, durch mehrfach benutzte Spritzen von Drogensüchtigen oder durch Blutübertragung zur Infektion kommen kann. Ein weiteres RNA-Virus mit Reverser Transkriptase ist der »Milchfaktor«, der Mamma-Tumoren bei der Maus erzeugt, die durch Säugen übertragen werden können. In der Milch stillender Frauen, in deren Stammbaum gehäufte Fälle von Brustkrebs vorkamen, konnten ebenfalls teilweise virusähnliche Partikel mit RNA und Reverser Transkriptase gefunden werden. Es gibt noch eine Anzahl weiterer Befunde dafür, dass Viren mögliche Erreger bestimmter Tumoren sind. Der stärker Interessierte sei hier auf die weiterführende Literatur verwiesen.

lung von Zellkulturen benutzt man meist Organmaterial vom Menschen oder vom Affen, das man durch Trypsinierung dispergiert. Die so gewonnenen Einzelzellen bilden in Kulturgefäßen mit Nährmedien einschichtige Zellrasen. Pathogene Viren erzeugen in diesen Zellkulturen sog. zytopathische Effekte, aufgrund derer die Virusreproduktion erkannt wird. Die Art des zytopathischen Effekts, d. h. das morphologische Bild der Zellveränderung, liefert diagnostische Aufschlüsse zur Virusidentifikation. Zum Nachweis pathogener Viren im Tierreich besitzt man verschiedene Versuchstierspezies, wobei sich die Wahl einer bestimmten Spezies nach der Empfänglichkeit des Tieres für den Erreger richtet. Die am häufigsten gebrauchten Versuchstiere sind der Hühnerembryo und die Säuglingsmaus. Bei ersterem kann z. B. die Chorioallantois, das Amnion oder der Dottersack beimpft werden. Säuglingsmäuse benutzt man, da sie für viele an sich nicht mäuse-

289 20.4 · Viren als Vektoren zur Übertragung von Genmaterial – Somatische Gentherapie

pathogene Erreger noch sensibel sind, gegen die erwachsene Tiere bereits eine natürliche Resistenz aufweisen. Die Infektion erfolgt durch Injektion. Diagnostische Kriterien sind Tod des Versuchstieres, klinische Beobachtungen sowie autoptische, histologische und serologische Untersuchungen.

20.3.2

Therapie

! Eine Therapie der Viruserkrankungen durch antivirale Chemotherapeutika ist nur dann möglich, wenn die Substanz ausschließlich viruscodierende Proteine, Enzyme oder Prozesse und damit die Aktivität der Viren hemmt.

Folgende Ansatzpunkte wären denkbar: 4 Eingriffe in den Prozess des Uncoating; 4 Eingriffe bei Enzymen (Replikasen, Reverse Transkriptase, Polymerasen, Ribonukleoid-Reduktase, Proteasen); 4 Eingriffe bei der Reifung; 4 Eingriffe bei der Adsorption an den Zellrezeptoren. Eine Anzahl von Chemotherapeutika hat sich bisher bewährt und besitzt v. a. bei Virusinfektionen mit Immunmangelzuständen (z. B. HIV-Infektion) Bedeutung. Dabei handelt es sich meistens um Strukturanaloge der Nukleoside, deren Triphosphate als Polymerase-Hemmstoffe wirken. Auch ProteaseInhibitoren sind von Bedeutung. Wegen der Gefahr der Resistenzentwicklung sind häufig Kombinationstherapien mit verschiedenen Angriffspunkten in Gebrauch. Ein weiterer Weg ist der über neutralisierende Antikörper. Es ist bekannt, dass sich Virushüllproteine von selbst zu leeren Virushüllen zusammenlegen, die »virus-like particles« (VLPs) genannt werden! Der große Vorteil dieser VLPs ist, dass sie keine Genome enthalten und sich damit nicht vermehren und keine Krankheiten auslösen können, für das Immunsystem jedoch genauso Angriffsziel sind. So gelang es kürzlich mit Hilfe genetischer Methoden Impfstoffe auf der Basis von Hüllproteinen zu entwickeln, die gegen HPV 16 und 18 und die daraus entstehenden Krebsvorstufen des Zervixkarzinoms und anderer assoziierter Krebsformen schützen sollen.

20

Natürlich ist eine Chemotherapie auf eine exakte Virusdiagnose angewiesen, auf einen Schnelltest, z. B. mittels PCR. Dabei sind die Viruserkrankungen therapiebedürftig, die sich durch Impfprophylaxe nicht verhüten lassen, aber lebensbedrohliche Krankheiten auslösen.

20.4

Viren als Vektoren zur Übertragung von Genmaterial – Somatische Gentherapie

Das Jahr 1990 war die Geburtsstunde der somatischen Gentherapie. Die vier Jahre alte Ashanti De Silva, die an dem rezessiv erblichen Mangel an Adenosindesaminase (ADA) litt, wurde als erster Mensch gentherapeutisch behandelt. Dabei wurde das recht kleine ADA-Gen in einem Retrovirus-Vektor kloniert und in ADA-T-Lymphozyten der Patientin reimplantiert. Natürlich muss eine solche Prozedur, die zu einer stabilen Genexpression über Wochen führt, immer wieder wiederholt werden. Insofern handelt es sich nicht um eine Heilung. Hierzu müsste man das Gen stabil in Stammzellen des Knochenmarks einbauen können, die aber bis heute nicht einfach zu isolieren sind. Ähnliche Therapieansätze gab es bisher für verschiedene weitere genetische Erkrankungen wie die zystische Fibrose (Mukoviszidose), die Hypercholesterinämie u. a. Dabei werden als Vektoren Viren verwendet, die quasi als »Gen-Taxi« das erwünschte Gen an seinen Zielort bringen. Die dazu geeigneten Viren kann man in zwei verschiedene Klassen einteilen: 4 Die erste Klasse von Viren befördert ihre GenFracht nur bis in den Zellkern, während die 4 zweite Klasse die Erbinformation direkt in die Chromosomen einbringt.

20.4.1

Genübertragung in den Zellkern

Ein Verbringen in den Zellkern bedeutet ein »Parken« der Gene im »Foyer der genetischen Bibliothek«. Die Information wird zwar auch hier gelesen und das Genprodukt synthetisiert, bei der Zelltei-

290

Kapitel 20 · Viren

lung wird das zusätzliche Gen allerdings nicht mitkopiert. Die eingeschleuste Information geht somit mit der Zeit verloren. Der Therapieerfolg ist also ein zeitlich begrenzter und die Therapie muss i.d.R. nach einigen Wochen wiederholt werden. Für diese Art des Gentransfers hat man bisher z. B. Adenoviren benutzt, denen man die Virulenz genommen hat, indem die viruseigenen Gene entfernt und dafür das Zielgen eingebaut wurde.

20.4.2

Genübertragung in die Chromosomen

Bei der zweiten viralen Klasse handelt es sich um Retroviren, welche von ihrem Genom eine DNAKopie erstellen, die sie in das Wirtsgenom einbauen. Um sie gentherapeutisch einsetzen zu können, werden auch diese Viren »verkrüppelt«. Sie können dann immer noch in die Zellen eindringen und sich ins Genom integrieren, sind aber nicht mehr in der Lage, sich weiter zu vermehren, so dass ein Krankheitsrisiko im Normalfall ausgeschlossen ist. Mögliche Risiken. Theoretisch denkbar ist, dass die

20

eingeschleusten viralen Gene mit endogenen Retroviren rekombinieren und so genetisch veränderte Folgeviren entstehen, die zu einer Infektion fähig sind. Größer ist ein anderes Risiko: Die Retroviren transportieren das zu verbringende Gen nämlich nicht an eine gezielte Stelle im Genom, sondern integrieren es irgendwo. So kann das Gen natürlich auch an einer Stelle landen, wo es nicht exprimiert wird, z. B. in einer stark kondensierten heterochromatischen Region. Die Integration kann auch zum Tod der Wirtszelle führen, wenn das Gen in ein anderes essentielles Gen integriert wird. Dies alles ist jedoch vernachlässigbar, da die Konsequenzen jeweils einzelne von vielen Zellen treffen. Viel bedenklicher ist die Möglichkeit einer Krebsentstehung. So kann das Expressionsmuster der für die Zellteilung zuständigen Kontrollgene durcheinandergeraten. Es kann ein Onkogen oder ein Tumorsupressorgen aktiviert oder ein Gen für Apoptose inaktiviert werden. Hier reicht tatsächlich ein einziges solches Ereignis in einer Zelle, um einen Tumor entstehen zu lassen.

Das Risiko ist bei der ex vivo-Strategie, die man bei ADA eingesetzt hat, geringer als bei der in vivoStrategie, wie man sie bei der zystischen Fibrose versucht hat. Hier wurde Patienten das in Adenoviren verpackte Gen direkt in Bereiche des Nasenepithels und in das Lungenepithel eingebracht und tatsächlich von den Zellen aufgenommen. Ex vivo kultivierte Zellen kann man nämlich auf neoplastische Transformationen hin untersuchen, was bei der in vivoStrategie nicht möglich ist. Deshalb wurden auch mit Retroviren bisher keine therapeutischen Versuche mit der in vivo-Strategie unternommen. Dennoch sind auch die Hoffnungen in die ex vivo-Strategie durch 2 Todesfälle 2002 nach gentherapeutischer Behandlung der angeborenen Immunschwäche des Typs X1 deutlich gedämpft worden. Die Patienten verstarben nach Aktivierung eines Protoonkogens an Leukämie. Aber auch die Adenovirus-vermittelte Gentherapie birgt bisher ungelöste Risiken, weswegen gegenwärtig die meisten klinischen Gentherapie-Tests gestoppt sind. Es kam nämlich nach einem in vivoVersuch, bei dem mit einem Gen substituierte Adenoviren in die Leber injiziert wurden, zu einer Immunreaktion mit tödlichem Ausgang für den Patienten. Weiterhin wurde vor wenigen Jahren von einer neuen gentherapeutischen Behandlung bei X-chromosomaler chronischer Granulomatose in Deutschland an zwei Patienten nach der ex vivo-Strategie berichtet, der offenbar erfolgversprechend verlief. Allerdings schlossen die Forscher ein möglicherweise später auftretendes Tumorrisiko nicht aus. Von einer ähnlich gelagerten Behandlung wurde bei einem Jungen – die beiden anderen Patienten sind erwachsene Männer – aus der Schweiz berichtet. Diese Ausführungen zeigen die gegenwärtig bei der virusvermittelten somatischen Gentherapie vorhandenen Probleme und Risiken, weswegen man auch nach anderen Strategien sucht, z. B. durch Beseitigung der Immunogenität bei Viren oder durch Lysosomen vermittelten DNA-Transfer in die Zielzellen.

291 20.4 · Viren als Vektoren zur Übertragung von Genmaterial – Somatische Gentherapie

20

In Kürze

4 Viren besitzen keine Zellstruktur und nur einen Typ von Nukleinsäure, entweder DNA oder RNA, als Hauptbestandteil. Ihre Vermehrung ist nur in Wirtszellen möglich. 4 Das Viruspartikel (Virion) besteht aus einem Genom und dem Kapsid (Proteinmantel), dessen Untereinheiten als Kapsomeren bezeichnet werden. Nukleinsäure plus Kapsid bezeichnet man als Nukleokapsid. Es kann von einer Hülle aus Lipoproteinen und Polysacchariden umgeben sein. 4 Klassifikationskriterien sind klinische Merkmale sowie morphologische und biologische Eigenschaften. 4 Man kann in RNA- (10) und DNA-Virusfamilien (5) untergliedern und in animalische Viren, Pflanzenviren, Bakteriophagen, Mykoviren, Mykoplasmaviren und Viroide. 4 Bakteriophagen vermehren sich in Bakterien, wobei man zwischen virulenten und temperenten Phagen unterscheidet. 4 Die Abwehrmechanismen der Bakterien sind Restriktionsendonukleasen. 4 Bei der Virusvermehrung in höheren Zellen unterscheidet man schnell ablaufende, langsame, inapparente, latente, persistierende, symbiotische, endosymbiotische und okkulteoder maskierte Infektionen. 4 Der Ablauf der Virusvermehrung in höheren Zellen wird in Adsorption, Penetration, Uncoating, Eklipse, Reifung und Ausschleusung gegliedert. 4 DNA-Tumorviren können in höhere Zellen integriert werden und zur tumorösen Entartung führen.

4 RNA-Tumorviren (Retroviren) können mit Hilfe der reversen Transkriptase eine doppelsträngige DNA-Kopie der Virus-RNA herstellen und diese ins Genom der Wirtszelle integrieren. Mit zelleigenen Enzymsystemen werden von dieser wieder genomische Einzelstrang-RNA und virale mRNA synthetisiert. Diese virale mRNA stellt dann die viralen Proteine her. Schließlich wird das fertige Virion zusammengebaut und aus der Zelle freigesetzt. 4 Das bekannteste humanpathologische Retrovirus ist HIV. 4 Die Virusdiagnostik erfolgt morphologisch mittels Elektronenmikroskopie, serologisch, mit Kulturtechniken auf lebenden Zellen (Zellkultur, embryonisiertes Hühnerei, Tierversuch) oder mit gentechnologischer Methodik. 4 Chemotherapeutika, v. a. bei Infektionen mit Immunmangelzuständen, sind meistens Strukturanaloge der Nukleoside, deren Triphosphate als Polymerase-Hemmstoffe der Nukleinsäuresynthese wirken, Protease-Inhibitoren oder als Basis von Impfstoffen, VLPs. 4 In der somatischen Gentherapie werden genetisch verkrüppelte Viren (zur Beseitigung der Virulenz) als »Gen-Taxis« verwendet. Hierbei gibt es im wesentlichen zwei Strategien: Adeno-, adeno-assoziierte- oder Herpes simplexViren werden benutzt, um ein Gen in den Zellkern zu verbringen, das jedoch nicht ins Genom integriert wird, sodass die Therapie wiederholt werden muss. Die zweite Möglichkeit sind Retroviren, die ihre Genfracht direkt ins Genom integrieren. Alle bisherigen Ansätze haben jedoch noch unkalkulierbare Risiken offenbart.

21

21 Prionen > > Einleitung Prion ist die Abkürzung für proteinaceus infectious particles. Wegen des Rinderwahnsinns (BSE = bovine spongiforme Enzephalopathie) und den damit verbundenen Infektionsrisiken durch den Verzehr von Rindfleisch aus befallenen Beständen haben sich Prionen in den letzten Jahren zu einem Forschungsschwerpunkt entwickelt. Sie stellen ein völlig neues infektiöses System dar, nach dem Proteine durch Änderung ihrer Sekundärstruktur hochinfektiös werden können.

In normalen Zellen ist das Prion als membranständiges Protein vorhanden und wird von einem Gen auf dem kurzen Arm von Chromosom 20 codiert. In betroffenen Zellen findet man das Protein (PrPC), das normalerweise in einer α-helikalen Sekundärstruktur vorliegt, in einer β-helikalen Variante

(PrPc). Im Gegensatz zur Normalform ist diese nicht löslich und fällt aus. Im Gehirn bilden sich prionenhaltige amyloide Plaques, innerhalb der Neuronen sind die Liposomen durch ausgefallenes Protein betroffen, und die Zellen werden zerstört. Der Prozess der Umwandlung von der α- in die β-Struktur ist bisher unverstanden. Offenbar kann die β-Form der α-Form ihre pathologische Struktur aufzwingen, so dass die konvertierten Proteine vermehrt und die normalen ausgerottet werden (. Abb. 21.1). Die normale Struktur schützt die Zellen vor Stress und hat möglicherweise noch andere bisher unbekannte Funktionen. Kürzlich konnte gezeigt werden, dass das fehlgefaltete Prion-Protein nur in Zellen toxisch wirkt, in denen auch das normale Prion-Protein enthalten ist. Es wäre möglich, dass beide Proteine eine Bindung eingehen, die dann als Komplex den Zelltod auslöst.

Klinik Durch Prionen verursachte Erkrankungen des Menschen Creutzfeld-Jakob-Krankheit. Klinisch auffällig rer Bewegungen verlieren, hatte offensichtlich die wurde die übertragbare spongiforme Enzephalopathie durch eine Zunahme von jüngeren Creutzfeld-Jakob-Patienten v. a. in England. Man schreibt sie dem Verzehr von Rindfleisch zu, nachdem Rinder in England mit Futtermischungen gefüttert worden waren, die offensichtlich an Scrapie erkrankte Schafskadaver enthielten. Dieser Schafswahnsinn, der bereits seit ca. 200 Jahren beschrieben ist, und bei dem die Tiere die Koordination ih6

. Abb. 21.1. Modellvorstellung zur Vermehrung von Prionen

Spezies-Barriere von Schaf zu Rind übersprungen. Bei der Creutzfeld-Jakob-Krankheit unterscheidet man drei Formen, die sporadische, eine autosomal-dominant erbliche, bei der große Stammbäume bekannt sind, und die iatrogene. Erstere bildet mit 80% die große Mehrzahl der Fälle. Letztere wurde medizinisch durch die Verabreichung von Wachstumshormon ausgelöst, das heute gentechnisch hergestellt wird, früher jedoch aus den Ge-

293 21 · Prionen

hirnen Verstorbener gewonnen wurde. Ein anderer Teil der Fälle wurde durch offenbar unzureichend desinfiziertes Operationsbesteck bei Hirn- und Korneatransplantationen übertragen.

Kuru-Kuru-Krankheit. Ähnlich wie die Creutzfeld-Jakob-Krankheit verläuft die in Neu-Guinea beschriebene Kuru-Kuru-Erkrankung, wo Kannibalismus gebräuchlich war. Um fehlenden Proteinbedarf zu decken, verzehrten die Einwohner rohes menschliches Hirn und übertrugen damit die Er-

krankung. Die Inkubationszeit beträgt 1 bis 20 Jahre, nach Krankheitsausbruch ist der Verlauf nach 5 bis 10 Monaten i.d.R. tödlich.

Alzheimer-Krankheit. Ähnlichkeit besitzt der gesamte Krankheitskomplex mit der Alzheimer-Erkrankung, einer progredienten Hirnatrophie mit Plaquebildung, die vermutlich auf der Zerstörung von Neuronen durch Ablagerung eines β-Amyloid-Proteins in β-Faltblatt-Struktur beruht. In unserer Bevölkerung leiden ca. 1% der über 65-Jährigen an dieser Erkrankung.

In Kürze

4 Prionen sind die β-helikalen Varianten des membranständigen Proteins Prion, das normalerweise eine α-helikale Sekundärstruktur besitzt. Die Variante ist nicht löslich und fällt aus, was zu prionenhaltigen amyloiden Plaques im Gehirn führt.

21

4 Durch Prionen wird die Creutzfeld-Jakob- und die Kuru-Kuru-Krankheit verursacht. Ähnlichkeiten bestehen auch zur Alzheimer-Krankheit.

22 Relevante Grundzüge der Ökologie 22

> > Einleitung Die Ökologie gibt uns Aufschluss darüber, wie Individuen, Populationen oder Arten in Beziehung stehen. Da der Mensch – genau wie seine Krankheitserreger – Teil dieses komplexen Gefüges ist, sollten wir uns die wichtigsten Grundzüge der Ökologie klarmachen.

22.1

Funktionale Bestandteile eines Ökosystems

Das gesamte, alle Organismen umfassende Gefüge ökologischer Beziehungen wird als Biozönose bezeichnet. Sie ist die Lebensgemeinschaft von allen Lebewesen, die durch gegenseitige Abhängigkeit und Beeinflussung in Wechselbeziehung stehen. Die funktionelle Einheit, bestehend aus einer Biozönose und der abiotischen Umwelt (Biotop) wird als Ökosystem bezeichnet. Ökosysteme sind offene Systeme, die mit ihrer Umwelt im Stoff- und Energieaustausch stehen und die weitgehend zur Selbstregulation fähig sind.

22.1.1

sumenten. Diese Organismen sind heterotroph, d. h. auf organische Verbindungen als Energiequelle angewiesen. Man unterscheidet Konsumenten 1. Ordnung (Primärkonsumenten), die sich von Pflanzen ernähren (Herbivoren), Konsumenten 2. Ordnung (Sekundärkonsumenten), die sich von Tieren ernähren (Karnivoren), und Konsumenten 3. Ordnung, die sich von den Sekundärkonsumenten ernähren. Als Destruenten oder Reduzenten bezeichnet man schließlich alle heterotrophen Organismen, die organische Verbindungen zersetzen können. Die dabei entstehenden anorganischen Substanzen werden wieder von Produzenten aufgenommen und in organisches Material umgewandelt. Bei den Destruenten unterscheidet man zwischen den Saprovoren (Abfallfresser, z. B. Regenwürmer und Springschwänze), die organisches Material noch selbst ausscheiden, und den Mineralisierern (Bakterien, Pilze, . Abb. 22.1).

Gliederung eines Ökosystems

Ökosysteme setzen sich aus vier Grundbestandteilen zusammen, die über den Energiefluss und den Stoffkreislauf miteinander verknüpft sind: 4 abiotische Umwelt 4 Produzenten (Erzeuger) 4 Konsumenten (Verbraucher) 4 Destruenten (Zersetzer) Die abiotische Umwelt beliefert das Ökosystem mit primärer Energie (physikalische und anorganische Energie), stellt Nährstoffe zur Verfügung und bedingt die Raumstruktur. Produzenten sind autotrophe Organismen (Mikroorganismen oder grüne Pflanzen), die aus anorganischen Stoffen organische Stoffe aufbauen können. Sie erzeugen damit die Lebensgrundlage für die Kon-

. Abb. 22.1. Der Energiefluss

295 22.2 · Energiefluss und Stoffkreisläufe

22.1.2

Nahrungsketten und Nahrungsnetze

Die Konsumenten verschiedener Ordnungsstufen bilden untereinander Nahrungsketten, die immer in eine Richtung laufen: Produzent (Pflanze, z. B. Blatt) → Primärkonsument (Herbivore, z. B. Raupe) → Sekundärkonsument (Karnivore, z. B. Meise) → Endkonsument (Karnivore, z. B. Bussard). In der Regel sind solche Nahrungsketten sehr viel komplizierter aufgebaut, da sich viele Herbivoren von mehr als einem Produzenten und Karnivoren (Räuber) von mehreren Beutetieren ernähren. Daneben leben einige Konsumenten nicht rein von pflanzlichem, sondern auch von tierischem Material (Omnivoren, Allesfresser). Daraus ergibt sich, dass Nahrungsketten in der Realität selten rein linear verlaufen, sondern häufiger komplexe Systeme ergeben, sog. Nahrungsnetze. Bei parasitischen Lebenformen kann die Nahrungskette direkt mit einem Konsumenten beginnen. l Exkurs Quecksilberanreicherung in Nahrungsketten Die Kenntnis von Nahrungsketten ist keine akademisch-biologische Spielerei. Von besonderer Bedeutung ist sie u.a. im Rahmen der zunehmenden Verschmutzung unserer Umwelt. Betrachten wir die Auswirkungen der Umweltverschmutzung durch Schwermetalle auf Nahrungsketten am Beispiel des Quecksilbers: Quecksilber kommt in mannigfaltiger Weise in unserer Umwelt vor: Industriell fällt es bei der Produktion von Chlor, Soda und bei der Papierherstellung an. Es ist ein wesentlicher Bestandteil der zur Saatgutbeizung benutzten Fungizide und findet sich außerdem in fossilen Brennstoffen. Während elementares Quecksilber für den Menschen relativ ungefährlich ist, ist Methylquecksilber hoch toxisch. Nun gibt es bestimmte Mikroorganismen, die die ungiftige in die giftige Form umwandeln. Da ein großer Teil der Quecksilberabfälle in unsere Flüsse gelangt, finden wir in den Flachmeeren und Küstengewässern ein bedenkliches Ansteigen des Quecksilbergehaltes, das als Methylquecksilber von den Organismen aufgenommen wird und sich im Verlauf der Nahrungsketten von Stufe zu Stufe konzentriert. Gerade die Küstengewässer liefern einen Großteil unserer Speisefische. Diese scheinen Methylquecksilber in sich zu konzentrieren, und ihre Körper können mehr als das Tausendfache der Konzentration im Wasser aufweisen. Bei Fischen, die an der Spitze der marinen Nahrungsketten stehen, wie z. B. Thunfisch, fand man sehr hohe Quecksilberkonzentrationen, ebenso bei Seeadlern

6

22

und Fischadlern, die an manchen Küstengewässern aus diesem Grund bereits ausgestorben sind. Die Folgen von Quecksilbervergiftung beim Menschen sind Blindheit, Taubheit, Verlust des Koordinationsvermögens, Idiotie und auch Tod. Neben der allgemeinen Belastung des Menschen kennen wir heute auch lokale Katastrophen, wie die von Minamata (1953), wo durch eine Produktionserhöhung einer chemischen Fabrik der Ausstoß an Quecksilber stieg. Das Ergebnis war die Minamata-Krankheit: Von der weitgehend von Meerestieren lebenden Bevölkerung starben über 100 Menschen oder erlitten schwere Schäden ihres Nervensystems. Aufgrund von Katastrophen wie dieser hat man die gefährliche Anreicherung von Quecksilber in Nahrungsketten heute erkannt und verschiedene Schritte unternommen, um den Quecksilberausstoß in der Umwelt zu limitieren. Das Beispiel verdeutlicht aber nach Ansicht des Autors in geradezu erschreckender Weise die Folgen, die sich aus der Unkenntnis ökologischer Prozesse ergeben.

22.2

Energiefluss und Stoffkreisläufe

22.2.1

Energiefluss

Biomasse. Die Gesamtheit von lebendem, totem und zersetztem organischem Material ergibt die Biomasse. Sie wird entweder als Lebendgewicht, Trockengewicht oder als Kohlenstoffgewicht pro Flächen- und Zeiteinheit gemessen. Primärproduktion. Neue Biomasse wird ausschließlich von den Produzenten erzeugt und wird BruttoPrimärproduktion (BPP) genannt. Hierbei wird nur etwa 1% der globalen Strahlungsenergie in chemische Energie umgesetzt (Photosynthese). Von der Brutto-Primärproduktion wird ein Teil bei Stoffwechselprozessen der Pflanze verbraucht. Der Rest geht als Wärmeenergie verloren. Nur ein Bruchteil der BPP wird in der Nahrungskette an den Konsumenten weitergegeben und stellt die energetische Grundlage des Lebens dar. Man bezeichnet den Anteil, der den Konsumenten am Anfang einer Nahrungskette zur Verfügung steht, als die Netto-Primärproduktion (NPP). Trophische Stufen. Beim Energiefluss durch die

Biozönose geht von Ernährungsstufe (trophische Stufe) zu Ernährungsstufe circa 1/10 der Energiemenge der vorhergehenden Stufe verloren. Ver-

296

22

Kapitel 22 · Relevante Grundzüge der Ökologie

antwortlich für den Verlust an biologisch verwertbarer Energie ist: 4 die Umsetzung in Wärmeenergie bei Verdauungs-, Atmungs- und Gärungsprozessen, 4 der Verbrauch von Energie zur Aufrechterhaltung lebenswichtiger Körperfunktionen, 4 der Verlust und die Überführung von Energie in eine energieärmere Form durch den unvollständigen Abbau von Nahrung oder durch Ausscheidung. Infolge dieses Energieverlustes besteht eine Nahrungskette aus höchstens fünf trophischen Stufen. Ökologische Pyramiden. Aus den Energieverlusten

in der Nahrungskette ergeben sich quantitative Beziehungen, die graphisch in Form von ökologischen Pyramiden dargestellt werden können (. Abb. 22.2). Je nach Maßeinheit unterscheidet man:

4 Zahlenpyramiden, bei denen die Anzahl der Individuen pro Flächeneinheit und pro zunehmender trophischer Stufe i.d.R. geringer wird, 4 Biomassepyramiden, bei denen das Lebendoder Trockengewicht pro Fläche von einer trophischen Stufe zur nächsten abnimmt und 4 Energiepyramiden, bei denen der Energiegehalt in kJ/m2 fortlaufend verringert wird. Die Darstellungsweise gilt nicht uneingeschränkt. Bei parasitären Ernährungsbeziehungen entsteht eine umgekehrte Zahlenpyramide, da die Anzahl von Parasiten pro Fläche wesentlich höher ist als die der Wirte (Primärkonsumenten). Auch jahreszeitliche Schwankungen und Räuber-Beute-Beziehungen können die Form der Pyramiden wesentlich beeinflussen. So ist im Winter z. B. die Zahl der Produzenten i.d.R. stärker reduziert als die Anzahl der Konsumenten.

. Abb. 22.2a–c. Ökologische Pyramiden a Zahlenpyramide b Biomassepyramide c Energiepyramide

297 22.2 · Energiefluss und Stoffkreisläufe

Betrachtet man die Darstellung des Energieflusses am Beispiel des Menschen, so bedeutet dies: 10.000 kg Getreide produzieren 1.000 kg Rindfleisch und diese wiederum 100 kg Mensch. Lebt der Mensch jedoch ausschließlich vom Getreide, so können 10.000 kg Getreide 1.000 kg Mensch ernähren.

22.2.2

Stoffkreisläufe

Ökosysteme sind offene Systeme, die mit ihrer Umwelt im Stoff- und Gasaustausch stehen. Im Gegensatz zum linear verlaufenden Energiefluss ist der Durchfluss an anorganischen Stoffen zyklisch. Neben dem Sauerstoff- und dem Kohlenstoffkreislauf sind zu Wachstum und Vermehrung Mineralien wie Stickstoff und Phosphor, aber auch Spurenelemente von Bedeutung. Wegen seiner biologischen Bedeutung soll hier der Stickstoffkreislauf behandelt werden: Stickstoff ist ein Strukturbestandteil von Proteinen und von Nukleinsäuren. Mit Ausnahme von einigen Prokaryoten können Lebewesen molekularen Luftstickstoff nicht binden. Stickstoffautotrophe Pflanzen nehmen Stickstoff in Form von Nitraten (NO3) aus dem Boden auf. Stickstoffheterotrophe Organismen müssen organisch gebundenen Stickstoff mit der Nahrung aufnehmen. Bei der Zersetzung von Organismen und durch stickstoffhaltige Tierausscheidungen gelangt der Stickstoff in Form von Ammoniak wieder in den Boden. Ammoniak wird durch nitrifizierende Bakterien (Nitrosomonas, Nitrobakter) über Nitrit zu Nitrat oxidiert und als solches den Pflanzen wieder zur Verfügung gestellt. Gleichzeitig wird durch denitrifizierende Bakterien Nitrat reduziert, wobei molekularer Stickstoff und Distickstoffoxid (N2O) freigesetzt werden. Molekularer Luftstickstoff wird außerdem als Industrieabgas freigesetzt und gelangt durch Niederschläge in den Boden und in Gewässer, was häufig zu einer Überdüngung führt Durch intensive Landwirtschaft ohne Düngung oder Brachlegung und durch Auswaschung aus dem Boden kann Stickstoff zu einem Mangelfaktor für das Nutzpflanzenwachstum werden (. Abb. 22.3).

22.2.3

22

Bedeutung bakterieller Umsetzungsprozesse am Beispiel von Gewässern

Eutrophierung von Gewässern. Die biologischen Funktionen von Gewässern werden durch anthropogene Maßnahmen empfindlich gestört. Die Zufuhr von phosphat- und nitrathaltigem Material aus den Haushalten und der Landwirtschaft (Waschmittel, Mineraldünger, Gülle) fördert das Wachstum von Algen (»Algenblüte«, »Killeralgen«) und Phytoplankton. Aus einem ehemals nährstoffarmen (oligotrophen) wird ein eutrophes Gewässer (Eutrophierung). Der bakterielle Abbau des vermehrten organischen Materials verbraucht Sauerstoff. Ist nicht genügend Sauerstoff vorhanden, »kippt« das Gewässer. Bei der Zersetzung von organischem Material unter anaeroben Bedingungen werden giftige Gase frei, wie Methan, Ammoniak und Schwefelwasserstoff (Fäulnisprozess). In fließenden Gewässern nimmt die Zersetzung von organischem Material mit der Fließrichtung zu. Abwasserreinigung in Kläranlagen. Bei Trinkwas-

ser werden besondere Ansprüche an die Reinheit des Wassers gestellt. Trinkwasser muss nicht nur durchsichtig und geruchsfrei sein, sondern auch frei von Krankheitskeimen und von gesundheitsschädigenden Chemikalien . In Kläranlagen wird Abwasser aus der Kanalisation so aufbereitet und gereinigt, dass es den Haushalten und der Industrie wieder zugeführt werden kann. Eine Kläranlage zur Abwasserreinigung besteht aus drei Reinigungsstufen (. Abb. 22.4): 1. Mechanische Stufe: Bei der mechanischen Reinigung wird das Abwasser durch Rechen und Siebe von gröberen Verunreinigungen gesäubert. Das Wasser wird dann in Rückhalte-, Absetz- und Vorklärbecken geleitet, in denen die Fließgeschwindigkeit so gering ist, dass sich schwere Stoffe absetzen und auf der Oberfläche schwimmende Substanzen abgeschöpft werden können. Der abgelagerte Faulschlamm wird in einen Faulturm geleitet, in dem eine bakterielle Methangärung stattfindet. Bei der Methangärung wird der Klärschlamm auf bis zu 70°C erhitzt. Hierdurch werden Krankheitserreger ab-

298

Kapitel 22 · Relevante Grundzüge der Ökologie

22

. Abb. 22.3. Der Stickstoffkreislauf

getötet. Der bei der Gärung anfallende Klärschlamm kann, soweit er nicht zu sehr mit Schwermetallen belastet ist, als Düngemittel verwendet werden. 2. Biologische Stufe: Das mechanisch vorgereinigte Wasser wird nun in ein Belüftungsbecken geleitet. Im Belüftungsbecken wird Belebtschlamm, bestehend aus aeroben Bakterien und Protozoen, zugeführt. Durch künstliche Belüftung findet ein intensiver Abbau von organischen Schmutzstoffen statt (Belebungsverfahren). Der entstehende Schlamm wird im Nachklärbecken abgesetzt und in den Faulturm zur Methangärung geleitet. 3. Chemische Reinigung: Die nach der biologischen Reinigung zurückgebliebenen anorga-

nischen Abbauprodukte (Nitrate, Phosphate, Kaliumsalze, Sulfate) werden durch Zugabe von Fällungsmitteln (z. B. Aluminiumsulfat, Eisen(III)oxide und Kalk) aus dem Abwasser entfernt. Zusätzlich werden Krankheitserreger durch Ozon, Chlor oder Hitzebehandlung abgetötet.

22.3

Regulation der Populationsgröße

Eine Population ist eine Fortpflanzungsgemeinschaft von artgleichen Individuen, die einen bestimmten Lebensraum bewohnen. Für das Überleben der Art ist nicht das Einzelindividuum wichtig, sondern die Gesamtheit aller Artgenossen. Die Grö-

299 22.3 · Regulation der Populationsgröße

22

. Abb. 22.4. Schematische Darstellung einer dreistufigen Kläranlage

ße, die Dichte, aber auch die Verteilung und die Altersstrukturen von Populationen sind wichtige Faktoren der Populationsökologie.

22.3.1

Populationsgröße

Die Zahl der Individuen einer Art zu einem bestimmten Zeitpunkt bildet die Populationsgröße (man denke an eine Bakterienkultur). Das Verhältnis der Zahl der Individuen im Bezug zum Lebensraum wird als die Populationsdichte bezeichnet. Die Dichte der Population ist vom Raum- und Nah-

rungsangebot und den klimatischen Verhältnissen abhängig und ständigen Veränderungen unterworfen (. Übersicht 22.1).

22.3.2

Verteilung einer Population

Die Individuen einer natürlichen Population leben i.d.R. nicht gleichmäßig verteilt innerhalb eines Biotops. Häufig findet man eine Zufallsverteilung, bei der die Individuen einer Art irgendeine beliebige Stelle innerhalb eines Raumes einnehmen. Eine andere Art des Vorkommens ist die Klumpenvertei-

300

Kapitel 22 · Relevante Grundzüge der Ökologie

. Übersicht 22.1. Population, Populationsgröße, Populationsdichte

22

Population

Fortpflanzungsgemeinschaft einer Art, die in einem bestimmten Lebensraum vorkommt

Populationsgröße

Absolute Anzahl aller Individuen einer Population

Populationsdichte

Anzahl der Individuen einer Art pro Flächeneinheit (Abundanz)

lung oder fleckenweise Verteilung. Die Klumpenverteilung beruht häufig auf örtlichen Unterschieden im Nahrungs- und Wasserangebot oder ist durch das Fortpflanzungs- oder Sozialverhalten der Artgenossen bedingt (. Abb. 22.5).

22.3.3

Altersstrukturen

Für die Erhaltung einer Population spielt der Altersaufbau eine wichtige Rolle. Bei Pflanzen gibt es zwei Entwicklungsstadien: 4 die ruhende Pflanze (z. B. Samen, Knollen, Zwiebeln) und 4 die keimende bzw. wachsende Pflanze. Bei Tieren und Menschen unterscheidet man drei Altersstufen: 4 die Entwicklungsphase von der Befruchtung bis zur Fortpflanzung, 4 die Fortpflanzungsphase und 4 die Seneszenzphase, die vom Ende der Fortpflanzungsfähigkeit bis zum Tode reicht. Diese Phasen lassen sich in Form von Alterspolygonen darstellen (. Abb. 22.6): Eine Population befindet sich im Vermehrungszustand, wenn die Anzahl der fortpflanzungsfä. Abb. 22.5. Verteilungsmöglichkeiten von Individuen einer Population in einem Lebensraum

higen Individuen groß ist (breite Basis: Pyramidenform). Ist dagegen die Zahl der fortpflanzungsfähigen Individuen gleich groß oder kleiner der Anzahl Individuen in der Entwicklungsphase, ist mit einer Stagnation (Glockenform) bzw. einer Abnahme der Population (Urnenform) zu rechnen. Die Altersstruktur ist nicht statisch, sondern kann sich durch eine z. B. klimatisch bedingte Erhöhung der Sterblichkeitsrate schnell verändern. Die Form von Alterspolygonen wird durch die Anzahl der Geburten (Natalität, n) und der Sterbefälle (Mortalität, m) innerhalb eines Zeitraumes bestimmt. Beide Größen sind abhängig von der Anzahl fortpflanzungsfähiger Individuen innerhalb der Population und müssen daher auf die jeweilige Populationsgröße in einer Zeiteinheit bezogen werden. Die Geburten- und Sterberate einer Population kann mit der folgenden Formel berechnet werden: Natalität (n) = Mortalität (m) = Nn = Geburten, Nm = Sterbefälle, dt = Zeiteinheit, N = Populationsgröße

301 22.3 · Regulation der Populationsgröße

22

. Abb. 22.6. Alterspolygone

22.3.4

Populationswachstum

Die Wachstumsrate einer Population ergibt sich aus der Differenz von Geburtenrate (Natalität) und Sterberate (Mortalität). Aus diesen beiden Größen lässt sich die Wachstumsrate (r) einer Population berechnen: r=n–m Erfolgt der Zuwachs weitgehend kontinuierlich und unabhängig von Umwelteinflüssen, spricht man von einem exponentiellen Wachstum. Im Normalfall wird exponentielles Wachstum dadurch beschränkt, dass bestimmte Umweltfaktoren ins Minimum geraten oder das Wachstum generell hemmen. Exponentielles Wachstum tritt daher i.d.R. nur zeitbefristet auf (wir erinnern uns an das Wachstum einer Bakterienkultur 7 Kap. 17). Ein Beispiel für ein zeitweiliges exponentielles Wachstum war die Massenvermehrung von in Australien ausgesetzten Kaninchen im Jahre 1859. Das Fehlen von natürlichen Feinden und ein reichliches Nahrungsangebot begünstigten die Ausbreitung der Kaninchen. Erst durch die Einführung einer tödlichen Virusinfektion, der Myxomatose, konnte die Kaninchenplage abgewendet werden. Die Zuwachsrate bei exponentiellem Wachstum kann nach der folgenden Differentialgleichung berechnet werden:

Da das Populationswachstum von Umwelteinflüssen abhängt, muss bei seiner Abschätzung die sog. Umweltkapazität (K) berücksichtigt werden:

Bei der Umsetzung dieser Gleichung in ein Koordinatensystem ergibt sich eine logistische Wachstumskurve (. Abb. 22.7). Die Beziehung zwischen der Kapazität K und der Populationsgröße entspricht dem Kurvenverlauf bzw. gibt den Zustand der Population wieder. Ist N gleich K, so befindet sich die Population im Gleichgewicht. Das Wachstum stagniert. Es gibt ebenso viele Todesfälle wie Geburten. Bei N < K befindet sich die Population im Zustand des exponentiellen Wachstums. Die Lebensbedingungen sind demnach für die Population optimal. In einigen Fällen kann aber auch N > K sein. Die Populationsgröße nimmt ab. Dies ist der Fall, wenn z. B. Schmetterlingsraupen in großen Massen auftreten und die Bäume kahl fressen. Vor der Verpuppung sterben infolge der Nahrungsknappheit die meisten Raupen ab. Die Population reduziert sich auf ein Normalmaß.

22.3.5 dN = tatsächlicher Zuwachs an Individuen pro Zeiteinheit, dt = Zeiteinheit, r = Zuwachsrate, N = Anzahl vorhandener Individuen

Regulation der Populationsdichte

Die Populationsdichte wird durch dichtebegrenzende Faktoren bestimmt. Man unterscheidet

302

Kapitel 22 · Relevante Grundzüge der Ökologie

22

. Abb. 22.7. Exponentielle und logistische Wachstumskurve

zwischen Faktoren, die von der Dichte der Population abhängig sind (dichteabhängige Faktoren) und Faktoren, die nicht in direkter Beziehung zur Populationsdichte stehen (dichteunabhängige Faktoren): 4 Zu den dichteabhängigen Faktoren zählen die Minimierung von Lebensraum und Nahrung durch zu hohe Bevölkerungszahlen, wodurch die intraspezifische Konkurrenz um optimale Lebensbedingungen wächst. Hinzu kommen Krankheiten und eine erhöhte Bedrohung durch die gleichzeitige Vermehrung von Fressfeinden. 4 Dichteunabhängige Faktoren, die dezimierend auf die Populationsdichte einwirken können, sind entweder klimatische Bedingungen (z. B. Hitze, Kälte, extreme Trockenheit, Niederschläge, Überschwemmungen, Wind) oder interspezifische Konkurrenz um Nahrung, Wasser und Lebensraum (. Übersicht 22.2.). Die Regulation der Populationsdichte kann durch einen Regelkreis wiedergegeben werden. Die Regelgröße ist hierbei die Populationsdichte. Diese wird durch die Sterbe- und Geburtenrate (Stellglied) beeinflusst. Der Ist-Wert ergibt sich aus dem Zusam-

menspiel der dichteabhängigen Faktoren (Regler). Die Führungsgröße, die wiederum den Sollwert der Populationsdichte bestimmt, bilden die dichteunabhängigen Faktoren. Diese Ökofaktoren wirken aber gleichzeitig auch als Störgröße auf die Populationsdichte ein (. Abb. 22.8).

22.3.6

Populationsdynamik

Populationen sind ständigen Veränderungen der Größe und der Dichte durch Zuwanderung, Abwanderung, Natalität und Mortalität ausgesetzt. Treten Populationsschwankungen kurzfristig innerhalb einer Generation oder eines Jahres ein, spricht man von Oszillationen. Langfristige Dichteänderungen werden dagegen als Fluktuationen bezeichnet.

. Übersicht 22.2. Dichteabhängige und dichteunabhängige Faktoren

Dichteabhängige Faktoren

Dichteunabhängige Faktoren

intraspezifische Konkurrenz Fressfeinde und Parasiten Krankheiten

interspezifische Konkurrenz Klima

303 22.3 · Regulation der Populationsgröße

22

. Abb. 22.8. Regelkreis zur Veranschaulichung der Regulation der Populationsdichte durch dichteabhängige und -unabhängige Faktoren

22.3.7

Volterrasche Gesetze

Ein Beispiel für immer wiederkehrende Populationsschwankungen findet man in Räuber-Beute-Beziehungen (Episitismus, 7 Kap. 22.4). Der italienische Mathematiker Volterra hat 1926 die Gesetzmäßigkeiten des Episitismus in drei Grundregeln mit Modellcharakter festgehalten: 1. Volterrasches Gesetz: Innerhalb einer RäuberBeute-Beziehung schwanken die Populationsgrößen des Räubers und der Beutetiere periodisch und im zeitlichen Wechsel zueinander. Sinkt die Anzahl der Beutetiere, sinkt auch mit zeitlichem Verzug die Anzahl der Räuber aufgrund der Nahrungsknappheit. Bei abnehmender Anzahl der Fressfeinde kann sich die Population der Beutetiere erholen. Je mehr Beutetiere vorhanden sind, desto mehr Räuber können folglich

überleben, wodurch die Anzahl der Räuber steigt. Beispielhaft für Räuber-Beute-Beziehungen sind Luchs- und Schneehasenpopulationen. 2. Volterrasches Gesetz: Die Populationsdichte des Räubers und des Beutetieres schwankt immer um einen Mittelwert (Gesetz der Erhaltung der Durchschnittszahlen). Der Erhalt der Durchschnittsdichte wird durch die periodischen Schwankungen von Beute und Fressfeind bedingt. 3. Volterrasches Gesetz: Nimmt die Dichte einer Population von Beute und Räuber gleichmäßig ab, so steigt zunächst die Anzahl der Beutetiere schneller an als die der Räuber (Gesetz der Störung der konstanten Durchschnittszahlen). Ein Beispiel für das 3. Volterrasche Gesetz ist die Schädlingsbekämpfung. Beim Einsatz von chemischen Pestiziden können nicht nur Schäd-

304

22

Kapitel 22 · Relevante Grundzüge der Ökologie

linge, sondern auch ihre natürlichen Feinde dezimiert werden. DDT z. B. wirkt sowohl gegen Schildläuse (Schädling) wie auch gegen Marienkäfer (natürlicher Fressfeind). Die Bedingungen in der Natur sind zu komplex, um generelle Aussagen zuzulassen. So sind Räuber und Beutetiere nicht immer ausschließlich aufeinander spezialisiert. Das Nahrungsangebot des Räubers kann beispielsweise verschiedene Beutetiere umfassen, so dass die Populationsdichte nicht alleine von der Dichte eines Beutetierbestandes abhängig sein muss. ! Die Gesetze gelten nur in konstanten Populationen ohne Zu- und Abwanderung und bei Spezialisierung von Räuber und Beutetier aufeinander (. Abb. 22.9a,b).

22.3.8

Massenwechsel

In Zeiten sehr günstiger Umweltbedingungen kann es unabhängig von Räuber-Beute-Beziehungen zur Massenvermehrung von Individuen einer Population kommen. Bei steigender Populationsdichte wird die intraspezifische Konkurrenz um Ressourcen größer. Durch den Dichtestress ausgelöst, wird Adrena-

a

lin ausgeschüttet, wodurch es zu einer Steigerung der Aktivität der Artgenossen kommt. Gleichzeitig nehmen Aggressivität und Krankheiten zu, während die Fruchtbarkeitsrate sinkt. Infolgedessen kommt es zu Massenabwanderungen und auch zum Kannibalismus. Nur einige wenige Individuen bleiben übrig und können die Population wieder aufbauen. Der Massenwechsel wird bei vielen Nagetieren (Lemminge, Ratten), aber auch bei Vögeln (Bussard, Habicht), bei Fischen (Forelle) und bei Schmetterlingen (Kiefernspanner) beobachtet.

22.3.9

r- und K-Strategen

Neben dichtebegrenzenden Faktoren spielen auch genetische Faktoren eine Rolle bei der Stabilisierung von Bevölkerungsdichten. Man stellt zwei Selektionstypen einander gegenüber: 4 Der r-Stratege (r = endogene Wachstumsrate) produziert in Zeiten optimaler Lebensbedingungen eine große Anzahl Nachkommen, von denen sich nur die lebensfähigsten durchsetzen. Trotz Verlust einer großen Anzahl von Nachkommen durch Räuber oder sich ändernde Umweltbedingungen bleiben genügend Individuen übrig, um den Arterhalt zu garantieren. Die meisten r-Strategen sind Kleinorganismen mit rascher Generationsfolge, wie z. B. Blattläuse und Wasserflöhe. 4 Im Gegensatz hierzu passt sich der K-Stratege (K = Kapazitätsgrenze eines Raums) selektiv den vorhandenen Lebensbedingungen an. Durch seine Anpassungsfähigkeit benötigt der K-Stratege weniger Nachkommen, um die Arterhaltung zu gewährleisten (z. B. Adler, Meisen). Die meisten Arten sind jedoch keine reinen r- oder K-Strategen, sondern stellen eine Übergangsform aus beiden Selektionstypen dar.

22.4 b . Abb. 22.9a,b. Die Volterraschen Gesetze. a Diagramm zum 1. und 2. Volterraschen Gesetz b Diagramm zum 3. Volterraschen Gesetz

Wechselbeziehungen zwischen verschiedenen Arten

Der Kontakt zwischen verschiedenen Arten führt zu sehr unterschiedlichen Beziehungen, die sich in ex-

305 22.4 · Wechselbeziehungen zwischen verschiedenen Arten

tremer Ausprägung unter dem verallgemeinernden Gesichtspunkt, ob die Beziehungen positiv, negativ oder neutral sind, gut klassifizieren lassen. Die natürlichen Beziehungen sind häufig Übergangsformen zwischen diesen Grundtypen.

22.4.1

Konkurrenz

Eine einfach verständliche Beziehung ist die Konkurrenz. Zwei oder mehr Arten benötigen gemeinsam einen Umweltfaktor (z. B. Nahrung, Wärme, Licht, Wasser, Sauerstoff usw.) und gefährden oder beeinträchtigen sich daher in ihrer Existenz, wobei die Toleranz- und Präferenzbereiche für die Konkurrenzfähigkeit der Arten eine entscheidende Rolle spielen. Der Konkurrenzkampf kann sich dabei in verschiedener Weise äußern, wie etwa durch direkte Wegnahme des Konkurrenzfaktors (z. B. der Nahrung) oder durch Territorialverhalten, Aggression, Drohhaltung usw. Konkurrenz kann zum Verschwinden einer Art in einem Areal führen, indem die siegende Population durch Massenzunahme die unterliegende verdrängt, es kann sich aber auch ein Verhältnis der Koexistenz einspielen.

22.4.2

Symbiose

Während Konkurrenz eine Negativbeziehung zwischen verschiedenen Arten ist, die auf einem Mangel an gegenseitiger Anpassung beruht, ist Symbiose eine Positivbeziehung, die durch wechselseitige Anpassung durch lange Selektionsprozesse charakterisiert ist. In der Biologie lassen sich viele Beispiele für diese Form der Vergesellschaftung finden. Auch der Mensch besitzt Symbionten, wie z. B. die Mikroflora des Dickdarms. Diese Mikroorganismen leben einerseits von der Nahrung, die der Mensch zu sich nimmt. Andererseits wirken sie beim Aufschluss von Nahrungsmitteln sowie beim Aufbau von Wirkstoffen (z. B. Vitaminen) mit. Zudem sind sie Antagonisten von Krankheitserregern. Ein weiteres Beispiel eines menschlichen Symbionten wäre das für Säuglinge lebenswichtige Bakterium Lactobacillus bifidus. Es ist notwendig für die Vitaminsynthese und macht 90% der Darmflora von

22

Brustkindern aus. Das Wachstum von L. bifidus wird durch eine in Frauenmilch enthaltene Stoffgruppe, den sog. Bifidus-Faktor, garantiert, der z. B. in Kuhmilch nicht enthalten ist, was zur Überwucherung von L. bifidus durch E. coli und andere Bakterien bei Kuhmilchernährung führt. Auch die menschliche Haut ist ständig mit bis zu 1.000 Keimen/cm2 Oberfläche besiedelt. Die »Grundbesiedelung« der Vagina erfolgt hauptsächlich durch Laktobazillen. Durch sie wird das in den vaginalen Epithelzellen gespeicherte Glykogen zu Milchsäure metabolisiert und dadurch der pHWert bei 4,0 bis 4,5 stabilisiert. Antibiotikatherapien können sowohl die normale Bakterienflora des Darms als auch die des Genitaltraktes negativ beeinflussen.

22.4.3

Kommensalismus

Außer der symbiotischen Beziehung zwischen Arten kennen wir den Kommensalismus. Hier handelt es sich nicht um eine Vergesellschaftung zum gegenseitigen Nutzen, sondern eher um die Duldung nicht eingeladener Gäste, die sich konstant oder gelegentlich von den Überresten der Nahrung einer anderen Art ernähren. Dabei schädigen die Arten einander nicht. Ein typisches Beispiel von Kommensalismus ist das Nahrungsverhältnis zwischen Großraubtieren wie Tiger und Löwe und Aasfressern wie Hyäne, Schakal, Geier, Rabe u. a., die die Reste der Beute beseitigen.

22.4.4

Episitismus und Parasitismus

Weiterhin wären das Räuber-Beute-Verhältnis (Episitismus) und das Schmarotzertum (Parasitismus) zu nennen: 4 Beim Episitismus ernährt sich eine Art (Räuber), die auf einer höheren Ernährungsstufe steht, von einer anderen (Beute), die auf einer niedrigeren Ernährungsstufe steht. 4 Beim Parasitismus lebt eine Art (Parasit) auf oder im Körper (Ekto- und Endoparasitismus) von Individuen einer anderen Art (Wirt) und ernährt sich von deren organischer Substanz (. Übersicht 22.3).

306

Kapitel 22 · Relevante Grundzüge der Ökologie

. Übersicht 22.3. Wechselbeziehungen zwischen artverschiedenen Organismen

22

Konkurrenz

Interspezifische Konkurrenz um Nahrung, Lebensraum und Ökofaktoren

Symbiose

Wechselbeziehung von zwei Arten zum gegenseitigen Nutzen

Kommensalismus

Wechselbeziehung zwischen zwei Arten, wobei eine Art einen Nutzen hat, die zweite Art aber weder positiv noch negativ beeinflusst wird

Episitismus

Räuber-Beute-Beziehung

Parasitismus

Schmarotzertum

In Kürze

4 Ein Ökosystem besteht aus einer Biozönose (biotische Umwelt) und einem Biotop (abiotische Umwelt) und gliedert sich in die durch Energiefluss und Stoffkreislauf verknüpften Grundbestandteile abiotische Umwelt, Produzenten, Konsumenten und Destruenten. 4 Die Konsumenten bilden Nahrungsketten, die häufig komplexe Systeme, die Nahrungsnetze bilden. Stark vereinfacht ergibt sich ungefähr folgender Ablauf: Produzent → Primärkonsument →Sekundärkonsument → Endkonsument. 4 Am Anfang einer Nahrungskette steht die Netto-Primär-Produktion, die von dem Produzenten mit Hilfe von anorganischer Energie erzeugt wird. 4 Pro Ernährungsstufe geht 1/10 der Energiemenge durch vitale Lebensfunktionen verloren. Dies kann in graphischer Form als ökologische Pyramide dargestellt werden. Einprägsames Beispiel: 10.000 kg Getreide produzieren 1.000 kg Rindfleisch und diese 100 kg Mensch. Bei vegetarischer Ernährung würden 10.000 kg Getreide 1.000 kg Mensch ernähren. 4 Im Gegensatz zum linearen Energiefluss ist der Durchfluss anorganischer Stoffe zyklisch. (Ein Beispiel hierfür ist der beschriebene Stickstoffkreislauf ). Negative Auswirkungen auf ein Ökosystem veranschaulicht die Eutrophierung von Gewässern durch phosphat- und nitrathaltiges Material und deren Folgen. 4 Kläranlagen bestehen aus mechanischer, biologischer und chemischer Stufe. 4 In einem Ökosystem sind Größe, Dichte, Verteilung und Altersstruktur von Populationen wichtige Faktoren der Populationsökologie.

4 Der Zustand einer Population lässt sich in Form von Alterspolygonen darstellen. 4 Man kann in einer Population Geburten- und Sterberate sowie aus deren Differenz die Wachstumsrate berechnen. Sie ist im Normalfall beschränkt exponentiell. 4 Da Populationswachstum von Umwelteinflüssen abhängt, muss bei seiner Abschätzung die Umweltkapazität berücksichtigt werden. 4 Die Populationsdichte wird durch dichtebegrenzende Faktoren reguliert und kann in einem Regelkreis wiedergegeben werden. 4 In Räuber-Beute-Beziehungen findet man Populationsschwankungen. Die Gesetzmäßigkeiten dieser Beziehungen sind in den Volterraschen Gesetzen beschrieben. Große Populationsschwankungen haben wesentliche ökologische Auswirkungen, wie am Beispiel der Schädlingsbekämpfung verdeutlicht. 4 Massenvermehrung einer Population führt bei manchen Arten zu Dichtestress mit der Folge von Massenabwanderungen und Kannibalismus, was wiederum zum Massenwechsel führt. 4 Auch genetische Faktoren spielen bei der Stabilisierung von Populationsdichten eine Rolle, wobei man entsprechend der Vermehrungsrate zwischen r-Strategen (mit vielen Nachkommen) und K-Strategen (mit wenigen Nachkommen) unterscheidet. 4 Wechselbeziehungen zwischen artverschiedenen Organismen kann man klassifizieren in Konkurrenz, Symbiose, Kommensalismus, Episitismus und Parasitismus.

IV

Anhang Glossar der verwendeten Fachausdrücke – 309

309

A α-Amanitin: Pilzgift des grünen Knollenblätterpilzes (Amanita phalloides), das die → RNA-Polymerase hemmt. Absterbephase: Bezeichnung der 5. und letzten Phase des Wachstums einer Bakterienkultur. Aufgrund von Nährstoffmangel und zu vielen giftigen Stoffwechselprodukten sterben mehr Bakterien ab als neue hinzukommen (vgl. → lag- / → log- / → Retardations- und → Stationäre Phase) Achondroplasie: auch Chondrodystrophie oder Chondrodystrophia fetalis. Dominant erbliche Erbanlage mit Zwergwuchs, eingesunkener Nasenwurzel, großem Kopf, gelegentlicher Hydrozephalie, kurzen Gliedmaßen bei normaler Rumpflänge. Sakralwirbelsäule gegen Lumbalwirbelsäule geknickt (Lordose). Adaptine: Hüllproteine, die die Clathrin-Hülle an die Vesikelmembran binden und das Einfangen und die Auswahl von zu transportierenden Molekülen unterstützen. Adenin: Eine der vier organischen Basen, die in Nukleinsäuren die Gene kodieren. Dabei stets mit der Pyrimidinbase → Thymin verbunden. A. kommt auch im zellulären Energieüberträger → Adenosintriphosphat (ATP) vor. Adenosin-Desaminase-Mangel (ADA): Autosomal-rezessiv erblicher Mangel an Adenosindesaminase. Das → Enzym dient der Purinrückgewinnung beim Nukleinsäureabbau. Ein Enzymmangel in → T-Lymphozyten führt zur Immunschwäche. Adenosintriphosphat (ATP): Zentrales Molekül im Energiehaushalt der Zelle, das bei Hydrolyse einer Phosphatbindung freie Energie abgeben kann. Adenoviren (Adenoviridae): Virenfamilie, die Viren mit doppelsträngiger DNA umfasst und überwiegend zu Erkrankungen des Respirationstraktes führt. Adenoviren sind in der Lage → Genmutationen zu induzieren. Adrenogenitales Syndrom (AGS): Oberbegriff für Krankheitsbilder, die als Folge einer Über- oder Fehlproduktion von Nebennierenandrogenen entstehen und bei denen die Genitalsphäre in männliche Richtung verändert wird. Ursache ist eine autosomal-rezessive Störung der Kortisolbiosynthese, auch nichtgenetisch erworbene Formen treten auf. Adrenoleukodystrophie: Genetische Erkrankung, der eine Störung der → Peroxisomen zugrunde liegt. Adsorption: In der Virologie Bezeichnung für die Anheftung eines → Virions an die Wirtszelle. Aerobier: Organismus, der in Gegenwart von Sauerstoff lebt. Aflatoxin: Karzinogenes und lebertoxisches Pilzgift von Schimmelpilzen, das erstmals bei Aspergillus flavus entdeckt wurde.

A

Agar-Agar: Gallerte bildendes Polysaccharid aus verschiedenen Meeresalgen; dient z. B. zur Bereitung von Bakteriennährböden, als Arzneimittelträger oder als Abführmittel. Agenzien, alkylierende: Substanzen, die als → Zytostatika bei der Chemotherapie von Tumoren Verwendung finden. Die zytostatische Wirkung beruht auf einer → Alkylierung der DNA, was zu → Genmutationen, Chromosomenbrüchen oder Vernetzungen der DNA führen kann. AIDS: acquired immunodeficiency syndrome. Von → HIV verursachte Immunschwäche. Akrosom: → Zellorganell im vorderen Teil des Spermienkopfes, das das Eindringen des Spermiums in die Oozyte ermöglicht. akrozentrisch: Chromosom, bei dem das → Zentromer sehr nah am einen Ende liegt, sodass der eine Chromosomenarm kurz, der andere sehr viel länger ist. Aktin: Globuläres Protein, das sich zu Ketten verbindet und → Mikrofilamente in Muskeln und kontraktile Elemente in Zellen bildet. Im globulären Zustand nennt man es → G- Aktin, in filamentöser Form → F-Aktin. Aktinfilament: Filament, das aus einer verdrillten Kette (→ F-Aktin) identischer globulärer Aktinmoleküle, dem → G-Aktin, besteht. Aktinfilamente kommen in jeder eukaryotischen Zelle vor. aktiver Transport: Stofftransport durch die Zellmembran über Membrantransportproteine gegen ein Konzentrationsgefälle, einen osmotischen Druck oder einen elektrischen Gradienten. Albinismus: Rezessiv erbliche Stoffwechselstörung mit fehlender Farbstoffbildung, bedingt durch einen Block im Phenylalanin-Tyrosin-Stoffwechsel. Alkaptonurie: Rezessiv erbliche Stoffwechselstörung, bedingt durch einen genetischen Block, der den Abbau der Homogentisinsäure verhindert (Braunfärbung des Urins). Alkylierung: Übertragung von Alkylgruppen - z. B. Methyl- (-CH3) oder Ethylgruppen (-CH2-CH3) - von einem Molekül zum anderen. Wirken → alkylierende Agenzien auf DNA ein kommt es zu Mutationen. Allantois: Embryonaler Harnsack. Allele: Alternative Ausprägungen eines Gens, die denselben Lokus im Chromosom einnehmen. Die verschiedenen → Allele unterscheiden sich voneinander durch eine oder mehrere mutative Veränderungen. Allele sind also Mutanten eines Gens. Allele, multiple: Existieren mehr als zwei → Allele eines bestimmten Gens, so spricht man von multiplen Allelen bzw. von multipler Allelie.

Alloenzyme: Polypeptide, die durch unterschiedliche → Allele des gleichen Genorts codiert werden.

310

Glossar der verwendeten Fachausdrücke

Alterspigment: Lipofuscin, in Zellen mesenchymaler Herkunft und Epithelzellen angereichert, auch als Abbau- oder Abnutzungspigment bezeichnet. Alterspolygon: Darstellungsform von Altersstrukturen einer → Population. Alzheimer-Krankheit: Nach dem deutschen Neurologen Alois Alzheimer (1864-1915) benannte präsenile (um das 50. Lebensjahr auftretende), unaufhaltsam fortschreitende Demenz. Degenerative Erkrankung der Großhirnrinde.

Annexine: Proteine, die an → Phospholipide in Gegenwart von Calcium binden. Antibiotikum: Natürliches Stoffwechselprodukt aus Bakterien oder Pilzen, das andere Mikroorganismen abtötet oder deren Wachstum hemmt. Anticodon: Spezifisches Nukleotidtriplett der → Transfer-RNA, komplementär zum Nukleotidtriplett der → Messenger-RNA, das als → Codon bezeichnet wird.

amber: → Stoppcodon mit der Basenfolge UAG (→ Uracil, → Adenin, → Guanin). Es wurde nach seinem Entdecker Harris Bernstein (engl. amber) bezeichnet.

Antigen: Jede Substanz, die einen Organismus zur Bildung von → Antikörpern anregt, z. B. Fremdeiweißkörper, Bakterien und ihre Toxine, Viren, Blutkörperchen und tierische und pflanzliche Gifte.

Amenorrhö: Nichteintreten oder Ausbleiben der Regelblutung bei einer geschlechtsreifen Frau.

Antikörper: Reaktionsprodukt eines Organismus auf ein → Antigen; Antikörper sind Proteine.

Amitose: Bildung von zwei- oder mehrkernigen Tochterzellen physiologischer oder pathologischer Natur durch Durchschnürung des → Zellkerns ohne Auflösung der → Kernhülle und ohne Ausbildung einer Teilungsspindel.

Antimetabolite: Chemische Verbindungen, die einen lebenswichtigen Stoffwechselprozess blockieren. Die Konkurrenz der Antimetabolite mit den Metaboliten führt zu einem Defizit der Metabolite.

Amniozentese: Punktion der Fruchtblase zur Fruchtwasserdiagnostik.

Anti-Müllerian-Hormon: → Hormon, das bei der männlichen Geschlechtsentwicklung die Weiterentwicklung des → MüllerGanges unterdrückt.

Amöben: Gruppe von Einzellern, die ihre Gestalt ständig ändern. Zu den Amöben gehören auch parasitische Arten des Menschen, z. B. Entamoeba (Erreger der Amöbenruhr).

Antizipation: Vorverlegung, Vorwegnahme von Ereignissen oder Entwicklungen (z. B. des Krankheitsbeginns).

Amplifikation: Vermehrung der Kopienzahl eines Gens oder DNA-Abschnitts.

Aortenisthmusstenose: Angeborene Verengung bis Atresie des Isthmus aortae.

Amyloid: Stärkeähnlicher Eiweißkörper, der durch krankhafte Prozesse im Organismus entsteht.

Apert-Syndrom: Skelettdysplasie mit Mittelgesichtshypoplasie, kompletter Syndaktylie von Fingern und Zehen. Die Ursache ist ein autosomal-dominant erbliches Gen, wobei fast ausschließlich Neumutationen beobachtet werden. Väterlicher Alterseffekt ist nachgewiesen.

Amyloid-Prekursor-Protein-Gen (APP): In der Region 21q22 lokalisiertes und für einen Teil der erblichen Form der Alzheimer-Krankheit verantwortliches Gen. Anaerobier: Lebewesen, das in Abwesenheit von Sauerstoff lebt. Die lebensnotwendige Energie wird nicht durch Atmung, sondern vorwiegend durch Gärungsprozesse gewonnen. Außer einigen niedrigen Pilzen, z. B. Hefen, sind hierzu v. a. bestimmte Bakterien befähigt.

Apoptose: Programmierter Zelltod, bei dem nicht mehr gebrauchte Zellen ein intrazelluläres Selbstmord-Programm ablaufen lassen. Beim gesunden Erwachsenen findet dieser Vorgang milliardenfach innerhalb einer Stunde statt. Apoptosekörperchen: Multienzymkomplex beim mitochondrienvermittelten Signalweg zur → Apoptose.

Analatresie: Das angeborene Fehlen der Afteröffnung. Anämie: Verminderte Erythrozyten-Zahl und/oder ihres Hämoglobingehaltes unter die Norm. Anaphase: Vierte Mitosephase, nach der → Metaphase: Trennung der → Chromatiden und ihr Transport zu den entgegen gesetzten Zellpolen. Aneuploidie: Das zusätzliche Vorhandensein oder das Fehlen von einem oder mehreren Chromosomen im Chromosomensatz.

Apozytose: Vorgang der Vesikelabschnürung oder der Abspaltung von ganzen Zellteilen (z B. Milchfetttropfensekretion oder Duftsekretion). Aspermie: Fehlen von Zellen im Ejakulat. assembly: Zusammenbau der synthetisierten strukturellen Elemente zum → Virion.

311 Glossar der verwendeten Fachausdrücke

Ataxia teleangiectasia: Autosomal-rezessiv erbliche Erkrankung, die mit Entwicklungsstörungen im Kleinkindesalter, grober Ataxie und Tremor einerseits und Hautveränderungen wie Teleangiektasien und Café-au-lait-Flecken andererseits einhergeht. Weiterhin finden sich in den Zellen gehäuft Chromosomenbrüche. Atrophie: Abnahme der Größe eines Organs oder Gewebes durch Verkleinerung von Zellen oder Verminderung der Zellzahl. Autophagie: Verdauung von zelleigenem Material. Autophagolysosom: → Lysosom zum Abbau zelleigenen Materials, Rückgewinnung verwertbaren Materials und Einschluss nicht abbaubarer Reste in Restkörper. Autosomen: Alle Chromosomen eines Chromosomensatzes mit Ausnahme der Geschlechtschromosomen. Autotrophie: Ernährungsweise von Pflanzen und z. T. Mikroorganismen, die ohne Zufuhr organischer Verbindungen und mit Hilfe von Sonnenenergie oder durch Oxidation von anorganischen Substanzen organische Verbindungen synthetisieren. Azol-Antimykotika: Arzneimittel zur Behandlung von Pilzinfektionen, die die Biosynthese des für den Aufbau der Pilzmembran notwendigen Ergosterins hemmen.

A–B

an der Innenseite der → Kernhülle liegt und die weibliche Geschlechtsdeterminierung beweist. Basalkörper: → Organell der Prokaryotenzelle, das → Geißeln und → Zilien verankert. Basalmembran: Basallamina. Schicht zwischen Epithelzellen und Bindegewebe. Beratung, genetische: Beratung von Personen und Paaren mit Problemen, die durch die Geburt eines Kindes mit einer genetischen Erkrankung oder durch ein erhöhtes Risiko eines Erbleidens für den Ratsuchenden und/oder seine Nachkommen entstanden sind. Bifidus-Faktor: Eine vorwiegend in Frauenmilch, aber nicht in Kuhmilch enthaltene, für das Wachstum von Lactobacillus bifidus-Stämmen im Darm des Brustkindes unentbehrliche Kohlenhydratgruppe. Biomasse: Gesamtheit alles lebenden, toten und zersetzten organischen Materials pro Flächeneinheit. Die Maßangabe erfolgt entweder als Frisch-, Trocken- oder Kohlenstoffgewicht. Biotop: Räumlich abgrenzbarer Lebensraum, der mit seiner spezifischen Lebensgemeinschaft (Biozönose) ein → Ökosystem bildet.

Azoospermie: Fehlen der Spermien in der Spermienflüssigkeit.

Biozönose: Lebensgemeinschaft von verschiedenen Organismengruppen, die durch gegenseitige Abhängigkeit und Beeinflussung in Wechselbeziehung stehen.

B

Bivalente: Gepaarte homologe Chromosomen während der ersten meiotischen Teilung.

β-Globulin: Heterogene Eiweißfraktion des Serums. Bakterienkapsel: Antigene Polysaccharid- oder Polypeptidummantelung, die die → Virulenz erhöht. Sie ist für die Typenspezifität der Bakterien bestimmend. Bakterienklon: Bakterienkolonie, die von einem einzigen Bakterium abstammt. Alle Bakterien eines Klons sind (von spontanen Mutationen abgesehen) erbgleich. Bakteriensporen: Resistente Dauerformen, bestehend aus DNA und wenig Zytoplasma in einer festen Wand. Bakteriophage: Virus, das auf Bakterien als Wirtszellen spezialisiert ist.

Blastem: Undifferenziertes Bildungsgewebe, aus dem in der Embryonalentwicklung oder bei Regenerationsvorgängen die differenzierten Gewebe hervorgehen. Blastozyste: Bezeichnung für die Blastula (embryonale Zellansammlung) der Säugetiere. Bloom-Syndrom: Autosomal-rezessiv erbliche Erkrankung mit beträchtlicher Wachstumsverzögerung sowie teleangiektatisches Erythem der Gesichtshaut und »Vogelprofil«. Gehäufte Chromosomenbrüche in den Zellen. Bovine spongiforme Enzephalopathie (BSE): Rinderwahnsinn. Degeneration des Gehirns von Hausrindern, die durch → Prionen ausgelöst wird.

Bänderung: Chromosomenfärbung zur eindeutigen Zuordnung von Chromosomen und Chromosomenbereichen.

Brutto-Primärproduktion (BPP): Die Summe der durch → Photosynthese und andere oxidative Stoffwechselprozesse → autotropher Mikroorganismen gewonnenen Energie eines Ökosystems.

Barr-body: Barr-Körperchen. Inaktiviertes X-Chromosom in den Zellen weiblicher Säuger, das als dichtes Objekt erkennbar

Burkitt-Lymphom: Schnell wachsender, hauptsächlich in Gesichtsknochen auftretender Tumor.

Bakteriozidie: Bakterientötung.

312

Glossar der verwendeten Fachausdrücke

Bürstensäume: Rasenförmig angeordnete → Mikrovilli auf resorbierendem Epithel zur Erhöhung der Resorptionsfähigkeit.

gungen, langsamem körperlichem Zerfall und zunehmenden psychischen Veränderungen bis zur Demenz schweren Grades. Entwicklung meist zwischen dem 30. und 45. Lebensjahr.

C CAAT-Box: Basenfolge im → Promotor, die von Transkriptionsfaktoren erkannt wird. cAMP: Zyklisches Adenosinmonophosphat. Ein sog. second messenger, der aus seiner Vorstufe ATP als Reaktion auf ein Primärsignal (→ first messenger) gebildet wird und hauptsächlich der Aktivierung der cAMP-abhängigen → Kinasen dient. Cap: 7-Methylguanosin-Kappe. Nach der Transkription modifiziertes 5’-Ende von eukaryotischer → Messenger-RNA. Den Vorgang der Modifikation nennt man capping. Carrier: Trägerproteine, die durch aktiven Transport gegen ein Konzentrationsgefälle Stoffe durch die Membran transportieren. Caspasen: Proteinfamilie die für die → Apoptose von Zellen verantwortlich ist. Caveolae: Einstülpungen der Zellmembran mit einem Gerüst aus Caveolinprotein, die Transportfunktion bei der → Endound → Transzytose haben. Centi-Morgan (cM): Maßeinheit zur Bestimmung von Genabständen, die auf der Rekombinationshäufigkeit beruht. 1% Rekombinationshäufigkeit entspricht etwa 1 cM oder etwa 1000 Kilobasen auf der DNA. Chemotherapeutika: Synthetische Wirkstoffe, die pathogene Keime im Wachstum hemmen oder abtöten. Chiasma: Chromatinbrücke, die bei Überkreuzung von NichtSchwesterchromatiden bei der Mitose entsteht. Den Vorgang der Überkreuzung nennt man → crossing-over. Chimäre: Lebewesen oder Gewebe aus Zellen verschiedenen Genotyps. Chlamydien: Bakterienfamilie mit nicht beweglichen, gramnegativen, obligat intrazellulären Parasiten. Sie lösen insbesondere Erkrankungen der Schleimhäute im Augen-, Atemwegsund Genitalbereich aus und verursachen teilweise schwerwiegende Folgen wie Erblindung oder Unfruchtbarkeit. Chloroplast: → Zellorganell von Pflanzen und → Photosynthese-betreibenden → Protisten, das Chlorophyll enthält und von einer Doppelmembran umgeben ist. Chloroplasten haben wie Mitochondrien eigene DNA und vermehren sich durch Teilung. Sie enthalten Chlorophyll und sind der Ort photosynthetischer Aktivität. Chorea Huntington: Autosomal-dominant erbliches Nervenleiden mit schnellen unwillkürlichen (choreatischen) Bewe-

Chorionbiopsie: Entnahme von Biopsiematerial der Zottenhaut, einer vom Embryoblast abstammenden schützenden und nährenden Embryonalhülle. Christmas-Faktor: Faktor IX der Blutgerinnung. Sein Fehlen, welches zur Hämophilie B führt, wurde erstmals bei einem Patienten mit Vornamen Christmas nachgewiesen. Chromatide: Eine der beiden sichtbar getrennten longitudinalen Untereinheiten eines Chromosoms, die zwischen der frühen → Prophase und der → Metaphase der Mitose und zwischen dem → Diplotän und der Metaphase II der → Meiose sichtbar werden. Chromatin: Aggregierte Masse aus DNA, RNA und Protein, die im Interphasekern aufgrund ihrer charakteristischen Färbeeigenschaften sichtbar wird. Chromosom: Fädige → Chromatinstruktur, die aus zwei durch das → Zentromer verbundenen → Chromatiden aufgebaut sind. chromosome painting: Besondere Form der → FISH-Technik zur Darstellung aller Chromosomen oder Teilbereiche von Chromosomen mit Hilfe von Fluoreszenzfarbstoffen. Chromosomenaberration: Veränderung der Chromosomenstruktur (strukturelle Chromosomenaberration) oder -zahl (numerische Chromosomenaberration). Chromosomenmosaik: Individuum oder Gewebe mit unterschiedlicher Chromosomenzahl in verschiedenen Zellen, entstanden durch somatisches → non-disjunction. Chromosomenmutation: Chromosomenstrukturveränderung oder numerische Abweichung. Chromosomensatelliten: DNA-Abschnitte mit kodierenden mittelrepetitiven Sequenzen auf den Chromosomen 13-15, 21 und 22. cis-trans-Golgi-Netzwerk: Teil des → Golgi-Apparats, das für das Sortieren von Proteinen wichtig ist. Die cis-Seite ist die unreife Seite, die konkave trans-Seite die reife oder Abgabeseite. coated pit: Einstülpungen der Zellmembran bei der Bildung von Endosomen, wobei die Grube clathrinummantelt ist oder ein Gerüst aus Caveolinprotein auf der zytoplasmatischen Seite besitzt. coated vesicle: beschichtetes Vesikel. Membranumschlossenes → Organell mit einem Mantel von Proteinen. Es wird durch Ab-

313 Glossar der verwendeten Fachausdrücke

schnürung eines innen beschichteten Bezirks der Membran gebildet. Cockayne-Syndrom: Autosomal-rezessiv erbliche Erkrankung mit Wachstums- und Entwicklungsstörungen, vorzeitigem Altern, → Mikrozephalie und Hauterkrankungen. Code, genetischer: Regeln bei der Übersetzung der Nukleotidsequenz eines Gens in die Aminosäuresequenz eines Proteins. Coding-Strang: DNA-Strang, der in RNA transkribiert wird.

B–D

Cytosin: Eine der vier organischen Basen, die in Nukleinsäuren die Gene kodieren. Dabei stets mit der Purinbase → Guanin verbunden.

D Deletion: Eine Art der strukturellen Chromosomenaberration: Verlust eines Teils eines Chromosoms. → Entsteht ein Endfragment, so bezeichnet man dies als terminale Deletion, stammt das Fragment aus dem mittleren Teil des Chromosoms, handelt es sich um eine interstitielle Deletion.

Codon: Nukleotidtriplett, das eine Aminosäure codiert. Desminfilamente: → Intermediärfilamente für Muskelzellen. Cohesin: Proteinkomplex der Chromosomen, der Schwesterchromatiden als Brücke zusammen hält. Colchizin: Pflanzliches Toxin (der Herbstzeitlose Colchicum autumnale), mit dem es möglich ist, Zellen in den für die Chromosomenanalyse günstigen Metaphasen zu arretieren. Es hemmt die Ausbildung der Spindelfasern, indem es an freie → Mikrotubuli-Untereinheiten bindet und diese nicht mehr für den Spindelfaseraufbau zur Verfügung stehen. Im Labor wird eine synthetische Form verwendet.

Desmosom: Struktur in Zellmembranen, die enge Verbindungen zwischen zwei Zellen herstellen. Desoxyribonukleinsäure (DNA): Träger der genetischen Information. Desoxyribose: Ein Zucker, der zusammen mit Phosphatgruppen das Rückgrat der DNA bildet. D. besitzt im Gegensatz zur → Ribose eine Hydroxylgruppe (OH-Gruppe) weniger.

COP: coated proteins. COPII-coated vesicles sind eine bestimmte Klasse von → coated vesicles.

Destruent: Organismus, der organische Rückstände zu anorganischen Verbindungen abbaut.

Corpus luteum: Gelbkörper; entsteht im Ovar nach der Ovulation aus dem gesprungenen Follikel. Bildungsort von Östrogenen und Progesteron.

Diabetes mellitus: Zuckerkrankheit; unterschieden werden Typ I (insulinabhängiger, juveniler Diabetes) und Typ II (nicht insulinabhängiger Diabetes, Altersdiabetes).

Cosmid: → Plasmid mit Verpackungssequenzen des → Phagen Lambda, einem E. coli-Virus.

Diagnostik, postnatale: Zytogenetische, biochemische oder molekulargenetische Untersuchung nach der Geburt um die Anlageträgerschaft für eine genetisch bedingte Erkrankung zu diagnostizieren.

CpG-Inseln: Kopplung von → Cytosin mit → Guanin über eine 3’-5’-Phosphodiesterbindung; häufig Zeichen für Gene, die transkribiert werden. Creutzfeldt-Jakob-Krankheit: Seltene Erkrankung des zentralen Nervensystems mit Nervenzelldegeneration des Groß- und Kleinhirns, der Basalganglien und des Rückenmarks. Cri-du-chat-Syndrom: Katzenschrei-Syndrom. → Deletion eines kurzen Arms des Chromosoms 5 beim Menschen. crossing-over: Vorgang bei er Bildung eines → Chiasmas, der zur genetischen Rekombination führt; man versteht darunter den reziproken Austausch von Chromosomensegmenten an sich entsprechenden Positionen von homologen Chromosomenpaaren durch symmetrische Bruchereignisse und kreuzweise Reunion.

Diagnostik, pränatale: Vorgeburtliche Diagnostik zur Feststellung einer genetisch bedingten Erkrankung mit zytogenetischen, biochemischen oder molekulargenetischen Methoden. Diakinese: Prophasestadium der → Meiose (R1) vor Eintritt in die → Metaphase. Diaster: Sternartige Anordnung; in der → Anaphase der Mitose gebildet durch die beiden Chromatidensätze. Diffusion: Die Tendenz beweglicher Teilchen, sich ihrem Konzentrationsgradienten folgend aus Bereichen höherer in Bereiche niedrigerer Konzentration zu bewegen. Diktyosom: Strukturelle Einheit des → Golgi-Apparates.

crossing-over, illegitimes: crossing-over an nicht exakt homologen DNA-Abschnitten. Cubitus valgus: Fehlstellung des Ellbogens, meist kombiniert mit Überstreckbarkeit.

Diktyotän: Ruhestadium in der → Oogenese während der ersten Reifeteilung, zum Zeitpunkt der Geburt eintretend und bis zur präovulatorischen Phase unter Erhaltung von → Chiasmata anhaltend.

314

Glossar der verwendeten Fachausdrücke

Dipeptid: Zusammenschluss zweier Aminosäuren (durch → Peptidbindungen). diploid: Vorhandensein eines doppelten Chromosomensatzes (2n). Bei menschlichen Zellen ist dies die Regel. Ausnahme: die → haploiden Keimzellen. Diplotän: Stadium in der Prophase der Meiose, bei dem sich das → Tetradenstadium langsam löst und → Chiasmata sichtbar werden. Disomie, uniparentale: Anwesenheit zweier Chromosomen von einem Elternteil. DNA, complementary (cDNA): copy-DNA. DNA, die mit Hilfe des Enzyms → Reverse Transkriptase meist aus → Messenger-RNA synthetisiert wird. DNA, mitochondriale: DNA der → Mitochondrien.

Drift, genetische: Verschiebung der Genhäufigkeit und der Genotypenverteilung durch zufällige Änderungen im Allelbestand. Besonders in kleinen → Populationen von Bedeutung. Drosophila: Gattung innerhalb der Familie der Taufliegen. Die Art Drosophila melanogaster ist ein gängiger Modellorganismus in der Genetik, da sie nur 4 Chromosomenpaare besitzt und sich schnell vermehrt. Drumstick: Trommelschlägel-ähnliches Anhängsel an → Zellkernen der weißen Blutkörperchen aus Chromatin, das dem inaktivierten X-Chromosom entspricht (wie der → Barr-body anderer Körperzellen). Ductus deferens: Samenleiter. Ausführungsorgan des Hodens, der in die Harnröhre mündet. Duplikation: Strukturelle → Chromosomenaberration: zweimaliges Auftreten ein und desselben Chromosomensegments im → haploiden Chromosomensatz.

DNA, repetitive: DNA-Bereiche, deren Sequenz aus sich wiederholenden Abschnitten besteht. Man unterscheidet mittelund hochrepetitive DNA.

Dynein: Motorprotein in den Fortsätzen der → Mikrotubuli der → Zilien mit ATPase-Aktivität.

DNA, single copy: DNA-Abschnitte, deren Basensequenz sich nicht wiederholt.

Dystrophin: Protein aus der Familie der → Spektrine. Sein Defektzustand führt zur Muskeldystrophie.

DNA-Polymerase: Enzym für die DNA-Synthese aus Desoxyribonukleosidtriphosphaten an einem DNA-Einzelstrang.

E

DNA-Reparatur: Verschiedene Mechanismen, die nach der DNA-Replikation Fehler korrigieren und daher Mutationen vermeiden. dominant: Im strengen Sprachgebrauch bezeichnet man ein → Allel als dominant, wenn beim Heterozygoten neben seiner Wirkung die Wirkung des anderen Allels phänotypisch nicht erkennbar ist. In der Humangenetik ist es üblich, von Dominanz zu sprechen, wenn ein Gen bereits im heterozygoten Zustand eine deutlich erkennbare Wirkung hat, egal ob diese gleich der des homozygoten Zustandes (der oft unbekannt ist) ist oder auch nicht. Doppelhelix: Struktur der DNA; aus zwei Polynukleotidsträngen gegenläufiger Polarität zu einer plektonemischen Doppelschraube gewunden. dose dependent sex reversal-Gen (DDS): Gen in der Region Xp, welches für die testikuläre Differenzierung mit verantwortlich ist. Dottersack: Nabelbläschen, embryonales Vorratsorgan beim Menschen. Down-Syndrom: Trisomie 21. Krankheit, die durch → Trisomie des Chromosoms 21 hervorgerufen wird. Sie zeichnet sich durch variable geistige Behinderung mit charakteristischen multiplen Fehlbildungen aus.

EcoRI: In der Molekularbiologie häufig verwendetes → Restriktionsenzym von E. coli. Edwards-Syndrom: → Trisomie des Chromosoms 18. Träger besitzen eine Reihe äußerer und innerer Missbildungen und sehr geringe Lebenserwartung. Effektor: Protein, das eine Änderung der sterischen Konfiguration des → Repressors bewirken kann und über diesen Mechanismus in die Regulation des → Operons eingreift. Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNPs): SNPs kommen in hoher Frequenz (durchschnittlich ein SNP pro kb) im → Genom vor und bestehen meist nur aus zwei → Allelen. Sie eignen sich zur genetischen Kartierung und sind Marker zur Zuordnung chromosomaler Regionen zu Krankheiten verursachenden Genen. Eklipse: Stadium während der Virusvermehrung, in dem die Virussyntheseprozesse stattfinden und in dem das Virus in der Zelle nicht nachweisbar ist. Ektoplasma: Plasmagel. Zytoplasmabeschaffenheit von Zellen mit amöboider Bewegung. Elektrophorese: Methode zur Auftrennung von Molekülklassen durch Bewegung geladener Moleküle in einem elektrischen Feld.

315 Glossar der verwendeten Fachausdrücke

Elementarkörperchen: Enzymkomplex der Atmungskette im Mitochondrium. Elementarmembran: Bauelement der meisten Zellstrukturen, aufgebaut aus zwei Lipoproteinschichten. ELISA: Enzyme-linked-immunosorbent-assay. Nachweisverfahren z. B. zur HIV-Diagnostik, bei dem die gesuchte Substanz an einen Antikörper bindet und mit Hilfe eines → Enzyms reagiert. Das Reaktionsprodukt kann durch z. B. Farbumschlag nachgewiesen werden. Elongation: Kettenverlängerung bei der → Translation. empirische Belastungsziffer: Grundlage zur Erhebung eines Wiederholungsrisikos bei multifaktoriell erblichen Erkrankungen.

D–E

Endproduktrepression: Form der Regulation der Genaktivität. Steuerung der Inaktivierung von Genen, wenn eine genügende Menge eines Endproduktes vorhanden ist. Energiefluss: Bewegung der Energiemenge in einer → Biozönose. Enhancer: Kurze DNA-Sequenzelemente, die die Transkription eines Gens verstärken. Enzym: Protein, das chemische Reaktionen im lebenden Organismus ermöglicht oder kontrolliert, wobei es unverändert aus der Reaktion hervorgeht (Biokatalysator). Epidermolysis bullosa simplex: Krankhafte Ablösung der Oberhaut. Epididymis: Nebenhoden.

Endomitose, partielle: Chromosomenvermehrung, die bei intakt bleibender Kernmembran und ohne Ausbildung eines → Spindelapparates nur auf einige Chromosomen des → Genoms der Zelle beschränkt ist.

Episom: → Plasmid, das in ein Chromosom eindringen kann.

Endomitose: Chromosomenvermehrung bei intakt bleibender Kernmembran ohne Ausbildung einer Spindel.

Erbgang, autosomal: Vererbungsmodus von Genen, die auf den → Autosomen lokalisiert sind.

Endonuklease: Enzym, das innerhalb von Nukleinsäureketten spaltet.

Erbgang, autosomal-dominant: Vererbungsmodus von dominant wirkenden Genen, die auf den → Autosomen lokalisiert sind.

Episitismus: Räuber-Beute-Beziehung.

Endoparasit: Parasit, der innere Organe befällt. Endoplasma: Plasmasol. Flüssige Zytoplasmabeschaffenheit von Zellen mit amöboider Bewegung: Endoplasmatisches Retikulum: ER. Aus Elementarmembranen aufgebautes Membranlabyrinth im → Zytoplasma. Man unterscheidet das raue ER (mit Ribosomenbesatz) und das glatte ER (ohne Ribosomenbesatz). Endosom: Aus Membraneinstülpung entstehendes Membranvesikel.

Erbgang, autosomal-rezessiv: Vererbungsmodus von rezessiv wirkenden Genen, die auf den → Autosomen lokalisiert sind. Erbgang, geschlechtsgebunden: Vererbungsmodus von Genen, die auf den → Gonosomen lokalisiert sind. Erbgang, intermediär: Vererbungsmodus von allelen Genen, bei denen im heterozygoten Zustand beide Genprodukte unabhängig nebeneinander vorkommen und sich beide phänotypisch manifestieren. Der heterozygote → Phänotyp nimmt eine Mittelstellung zwischen den beiden homozygoten Formen ein.

Endospore: → Bakterienspore. Endosymbiontentheorie: Erklärungsmodell, nach dem eukaryotische Zellen entstanden durch symbiontischen Zusammenschluss von anaeroben Prokaryoten mit symbiontischen Cyanobakterien und aeroben Prokaryoten, die dann zu Chloroplasten und Mitochondrien wurden.

Erbgang, kodominant: Vererbungsmodus von allelen Genen, bei denen im heterozygoten Zustand beide Genprodukte unabhängig voneinander vorkommen und sich beide phänotypisch manifestieren.

Endothelzellen: Zellen, die einschichtig die Gefäße auskleiden.

Erbgang, multifaktoriell: Genetische Determinierung eines Phänotyps nicht durch ein einziges Gen, sondern durch das Zusammenwirken vieler Gene (Beispiel: Körpergröße, Physiognomie, Irisstruktur, Pigmente).

Endotoxine: Bakterielle Toxine, die Bestandteile der Zellwand sind und bei deren Zerstörung freigesetzt werden.

Erbgang, X-chromosomal-dominant: Vererbungsmodus von dominant wirkenden, auf dem X-Chromosom gelegenen Genen.

Endozytose: Transport von festen (→ Phagozytose) oder gelösten (→ Pinozytose) Stoffen in die Zelle.

Erbgang, X-chromosomal-rezessiv: Vererbungsmodus von rezessiv wirkenden, auf dem X-Chromosom gelegenen Genen.

316

Glossar der verwendeten Fachausdrücke

Ergastoplasma: Zellregion mit besonders viel rauem → endoplasmatischen Retikulum. Bei hohem Eiweißumsatz der Zelle ist es besonders ausgeprägt, bei Hunger, Hypoxie, Überlastung, Vergiftung etc. aber zurückgebildet.

Faktor VIII: Antihämophiles Globulin, welches bei der Hämophilie A mutiert ist.

Erythropoetin: in der Nierenrinde gebildetes Hormon, das die Bildung roter Blutkörperchen (Erythropoese) im roten Knochenmark fördert (Dopingmittel EPO).

Faktoren, koloniestimulierende: Fördern bei der Entwicklung von Blutzellen die Differenzierung und das Wachstum von Vorstufen unterschiedlicher Zelltypen. Werden als Medikamente gentechnisch hergestellt und bei der Tumorbehandlung unterstützend eingesetzt.

Erythrozyt: Rotes, bei Säugetieren kernloses Blutkörperchen. Beim Menschen scheibenförmige Zelle mit einer Eindellung an der Ober- und Unterseite. Enthält → Hämoglobin und ist für den Gastransport im Blut zuständig. Euchromatin: Chromatin des Interphasekerns, das in entspiralisierter Form vorliegt und als aktives Genmaterial angesehen wird.

Faktor IX: → Christmas-Faktor.

Fanconi-Anämie: Autosomal-rezessiv erbliche Erkrankung. Chronisch fortschreitende hyperchrome makrozytäre → Anämie, infolge Panmyelopathie, die außerdem von chronischer Leukopenie und Thrombopenie begleitet ist. In den Zellen gehäuft Chromosomenbrüche.

Eukaryoten: Eukaryonten. Alle Organismen deren Zellen einen echten → Zellkern besitzen.

F-Body: Die langen Arme des Y-Chromosoms, die sich bei Anfärbung mit fluoreszierenden Kernfarbstoffen durch ein intensives Leuchten auszeichnen.

Eutrophie: Nährstoffreichtum, Nährstoffüberschuss. Bei z. B. Gewässern Überdüngung.

Feulgen-Nachweis: Nach Robert Feulgen benannte Reaktion zum Nachweis von DNA.

Euzyte: Zelltyp aller Eukaryoten, im Gegensatz zur → Protozyte der → Prokaryoten.

F-Faktor: Zusatzplasmid bei Bakterien mit einer spezifischen DNA-Region, deren An- oder Abwesenheit das »Geschlecht« bestimmt und bei der Konjugation die Voraussetzung für die Übertragung genetischen Materials von der Spender- in die Empfängerzelle schafft.

Exon: Kodierender Teil der DNA bzw. mRNA. Exonuklase: Nukleinsäuren abbauendes Enzym. Exosporium: Bei bakterieller Endosporenbildung äußerste Schicht: Lipoproteinmembran mit einigen Kohlenhydraten. Exotoxine: Ektotoxine. Bakterielle Toxine, die von diesen produziert und ausgeschieden werden. Exozytose: Abgabe von geformten Zellbestandteilen in das umgebende Medium einer Zelle.

Fibroblasten: Zelltyp im Bindegewebe, der eine extrazelluläre Matrix sezerniert, die reich an → Kollagen und anderen Matrixmolekülen ist. Sie wandern ins Wundgewebe und sind wahrscheinlich an der Bildung der Bindegewebsfasern beteiligt. Fibrose, zystische: Chronische Pankreaserkrankung mit fibrösen Veränderungen und Auftreten von Zysten bei gleichzeitiger Störung aller schleimsezernierenden Drüsen (besonders der Bronchialdrüsen).

Expressed sequence tags (ESTs): Ein übersetzter → STS (sequence tagged site), den man durch zufällige Selektion eines cDNA Klons zur Sequenzierung und Erstellung von → Primern erhält, um spezifisch über → PCR das korrespondierende Fragment genomischer DNA zu amplifizieren.

Filamin: Protein bei der amöboiden Zellbewegung. Es bindet an → Aktinfilamente und vernetzt sie zu einem dreidimensionalen Netz, wodurch der Gelzustand erreicht wird.

Expressivität: Stärke, mit der ein Gen manifestiert wird.

Fimbrien: → Pilus, Sexpilus.

Exzisionsreparatur: DNA-Reparaturmechanismus, bei dem modifizierte Basen ausgeschnitten werden und so in erster Linie Basenfehlpaarungen verhindert werden.

first messenger: Hormonmoleküle, die an Rezeptoren binden und den Zellstoffwechsel beeinflussen (vgl. → second messenger).

Filopodium: Zytoplasmafortsatz bei → Fibroblasten.

FISH: Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung; Methode zur Lokalisierung von DNA-Sequenzen. F F-Aktin: Polymer aus → G-Aktin mit strangförmiger doppelhelikaler Struktur; Myofilament.

Fitness, reproduktive: Die möglichst frühzeitige und zahlreiche Produktion von Nachkommen. Flagelle: → Geißel.

317 Glossar der verwendeten Fachausdrücke

Flagellin: Protein der → Geißel bei Prokaryoten.

E–G

Fleckfieber: Typhus exanthematicus. Hervorgerufen durch → Rickettsien.

Gaucher-Krankheit: Autosomal-rezessive Lipidspeicherkrankheit, verursacht durch den Defekt einer lysosomalen → Hydrolase. Subtypen mit verschiedenem neurodegenerativem Verlauf und verschiedenem Manifestationsalter sind bekannt.

Flemming-Körper: Schmale, azidophile Brücke als letzte Verbindung zwischen zwei Zellen bei der → Zytokinese.

GC-Box: Charakteristische Region im → Promotor mit hohem GC-Gehalt.

fluid-mosaic-Modell: Flüssig-Mosaik-Modell. Modell zum molekularen Aufbau der Zellmembran, dem zufolge die Membran ein Mosaik aus Proteinmolekülen ist, die einzeln in eine flüssige Phospholipiddoppelschicht eingebettet sind und sich lateral bewegen können.

Geißeln: Flagellen. Fadenförmige → Zellorganellen zur Fortbewegung. Vorkommen bei Pro- und Eukaryoten, jedoch von verschiedenem Aufbau: bei Prokaryoten aus → Flagellin, bei Eukaryoten aus → Mikrotubuli.

Fluoreszenz-in-situ-Suppressionshybridisierung: → In-situHybridisierung mit Fluoreszenzfarbstoffen und Absättigung der repetitiven Sequenzen. Fragiles X-Syndrom: Geschlechtsgebundene Schwachsinnsform mit fragiler Stelle am X-Chromosom. Molekularbiologisch liegen expandierende Trinukleotide vor. Frame-shift-Mutation: Mutation, die durch → Deletion oder→ Insertion einer oder zweier → Nukleotide zu einem Leserasterwechsel führt. Fremdstoffriesenzellen: Vielkernige Riesenzellen, die an meist körperfremde, gelegentlich auch abgewandelte körpereigene Substanzen angelagert sind und diese z. T. in sich aufnehmen.

Gelsolin: Protein, das → Aktinfilamente fragmentiert und den Solzustand (→ Plasmasol) bei der amöboiden Zellbewegung herbeiführt. Gen: DNA-Abschnitt, der für ein funktionelles Produkt codiert, meist für eine Polypeptidkette. Genaktivität, differenzielle: Die Aktivität bzw. Inaktivität unterschiedlicher Gene in verschieden differenzierten Zellen. Genamplifikation: Spezifische Vermehrung von proteincodierenden Genen. Gene, springende: → Transposons. Gene, unterbrochene: Eukaryotengene mit → Introns und → Exons.

Fusion, zentrische: Reziproke → Translokation, bei der die langen Arme von zwei → akrozentrischen Chromosomen verschmelzen und ein → metazentrisches formen (→ RobertsonTranslokation).

genetic engineering: Genetische Manipulation, durch die ein Organismus mit einer neuen Kombination von Erbeigenschaften entsteht.

G

Genfamilie: Eine Gruppe von Genen, die aus dem gleichen Vorläufergen hervorgegangen sind.

G0-Phase: Phase im Zellzyklus. Zellen, die ihre Teilungsaktivität einstellen und zeitweise oder für immer in einen Dauerzustand übergehen ohne ihre Regenerationsfähigkeit aufgegeben zu haben, verbleiben in dieser Phase. G1-Phase: Phase im Zellzyklus. Wachstumsphase der Zelle nach der Mitose und Vorbereitungsphase auf die nächste Zellteilung. G2-Phase: Phase im Zellzyklus vor der Mitose und nach der S-Phase.

Genfluss: Austausch von Genen zwischen → Populationen. Genhäufigkeit: Anteil der verschiedenen → Allele eines Gens in einer Population. Genitalhöcker: Tuberculum genitale. Genmutation: In der engsten Begriffsfassung wird unter Genmutation eine mutative Veränderung innerhalb der Grenzen eines einzigen Gens verstanden. Als Ergebnis von solchen Genmutationen entstehen alternative Formen von Genen, die sog. → Allele.

G-Aktin: Monomeres Protein; globulärer Grundbaustein des filamentösen → Aktins.

Genom: Summe aller Erbinformationen eines Organismus.

Gameten: Keimzellen. Beim Menschen Eizellen und Spermien. Enthalten einen → haploiden Chromosomensatz.

Genomanalyse: Analyse von Krankheitsanfälligkeiten auf Ebene der DNA. Sequenzanalyse des → Genoms.

gap junction: Zellkontakt durch lokale Verengung des Interzellularraums zwischen benachbarten Zellen.

genomic imprinting: Unterschiedliche Expression der Gene, je nachdem, ob sie vom Vater oder von der Mutter stammen. Die-

318

Glossar der verwendeten Fachausdrücke

ser geschlechtsspezifische Einfluss der Gene ist unabhängig davon, ob sie auf den → Autosomen oder auf den Geschlechtschromosomen lokalisiert sind. Genomic imprinting beeinflusst die embryonale Entwicklung und die Expression der genetischen Krankheiten.

Glykophorin: Integrales Protein der Erythrozytenmembran, dessen Ladung bewirkt, dass sich die roten Blutkörperchen gegenseitig abstoßen, was eine Verklebung der Zellen vermindert. Die Aminosäuresequenz des Glykophorins ist für die Blutgruppen A, B und 0 verantwortlich.

Genommutation: Führt zu Hyper-, Hypo- und Polyploidien, also zum mehrfachen oder geringerfachen Vorhandensein einzelner Chromosomen oder ganzer Chromosomensätze.

Golgi-Apparat: Zisternenstapel, der hauptsächlich dem Sekrettransport, der Lysosomenproduktion, der Ergänzung der Glykokalix und der Aufrechterhaltung des Membranflusses dient.

Genotyp: Gesamtheit aller Erbanlagen eines Organismus.

Golgi-Zisterne: Geschlossenes Membranpaar aus dem → Diktyosom.

Genotypendiagnostik: Nachweisverfahren zur Erkennung oder zum Ausschluss monogener Erkrankungen auf DNA-Ebene (direkte und indirekte Diagnostik).

Gonadenagenesie: Vollständiges Fehlen der Geschlechtsdrüsenanlage.

Genotypenhäufigkeit: Häufigkeit von bestimmten Allelkombinationen bei Individuen einer → Population.

Gonosomen: Geschlechtschromosomen (im Gegensatz zu den → Autosomen).

Genpool: Gesamtheit aller Gene einer → Population.

Gower-Zeichen: Schwierigkeiten beim Aufstehen vom Boden bei der Muskeldystrophie Typ Duchenne. Die Patienten gehen zunächst in den Kniestand und richten sich dann auf, indem sie sich mit den Händen auf den Oberschenkeln abstützen.

Gentechnologie: Gezielte Manipulation von Genen zu praktischen Zwecken. Gentherapie, somatische: Übertragung eines Gens zur Substitution eines mutierten Gens in Körperzellen (Somazellen) eines Individuums. An den Keimzellen wird aus ethischen Gründen keine Gentherapie durchgeführt, da die neue genetische Information an die Nachkommen weitergegeben werden würde. Geschlechtschromatin: Sexchromatin. Plankonvexes sphärisches oder pyramidales und → feulgenpositives intranukleäres Körperchen, gewöhnlich an der Peripherie des Interphasekerns gelegen (→ Barr-Körperchen). Es repräsentiert eines der beiden X-Chromosomen der Frau in inaktiver Form. Sind im pathologischen Fall mehr als zwei → Gonosomen vorhanden, so findet man für jedes weitere X-Chromosom ein → Barr-Körperchen. Giemsa-Bänderung: Chromosomenfärbemethode nach Gustav Giemsa, die bänderförmige Strukturen auf den Chromosomen nach Präparation von Metaphasechromosomen erzeugt. Gliafilamente: → Intermediärfilamente in Neuronen. Glykogenose II: Syndrom, das auf einem Defekt der lysosomalen 1,4-Glykosidase beruht. Glykogenspeicherkrankheiten: Gruppe von X-chromosomalrezessiv erblichen Krankheiten, bei denen Glykogen aufgrund eines Enzymdefekts nicht vollständig abgebaut werden kann und in verschiedenen Organen, vor allem im Herzen, in quergestreifter Muskulatur, Leber und/oder Niere gespeichert wird. Glykokalix: Zellüberzug aus Polysacchariden, dessen Beschaffenheit genetisch kontrolliert ist, daher art- und immunospezifisch. Verantwortlich u. a. für die Zellmotilität, den Stoffaustausch und die Zellerkennung.

Gram-Färbung: Differenzielle Färbemethode bei Bakterien, die Aufschluss über Zellwandeigenschaften gibt. Sie ist von großer taxonomischer Bedeutung und korreliert auch mit bestimmten Eigenschaften der Bakterien. Granulozyten: Granulierte weiße Blutkörperchen. Sie machen 45–75 % aller Leukozyten aus und werden unterteilt in neutrophile, basophile und eosinophile Granulozyten. Gründereffekt: Das häufige Vorkommen eines seltenen → Allels, das sich von nur einem oder wenigen Gründerindividuen ausgehend (z. B. wegen seiner geografischen Isolation) in Folgegenerationen ausgebreitet hat. Guanin: Eine der vier organischen Basen, die in Nukleinsäuren die Gene kodieren. Dabei stets mit der → Pyrimidinbase → Cytosin verbunden. Gynäkomastie: Unnatürliche Brustentwicklung bei Männern; durch hormonale Störungen verursachte Vermehrung des Brustdrüsengewebes oder Fettablagerungen in der Brustdrüse.

H Hämatopoese: Blutbildung. Hämoglobin (Hb): Blutfarbstoff der → Erythrozyten, bestehend aus vier Untereinheiten mit je einer Peptidkette und einem Häm; jeweils zwei Peptidketten sind identisch. Hämoglobin überträgt im Organismus Sauerstoff, indem es in der Lunge ein Molekül O2 je Hämeinheit aufnimmt und im Gewebe wieder abgibt.

319 Glossar der verwendeten Fachausdrücke

Hämoglobin E: Hämoglobinkrankheit, gehäuft in den Mon Khmer sprechenden Gruppen; vor allem in Thailand, Kambodscha und anderen südostasiatischen Ländern.

G–H

Heterodisomie: Vorliegen von beiden Chromosomen eines Elternteils. Heteromorphismus: Von verschiedener Gestalt.

hämolytische Anämie: Anämie durch krankhaft gesteigerten Erythrozytenzerfall. Hämophilie: Bluterkrankheit. Erbkrankheit, bei der die Blutgerinnung gestört ist. haploid: Vorhandensein eines einfachen Chromosomensatzes (n). Bei menschlichen Zellen kommt dies in den Keimzellen vor. Körperzellen sind → diploid. Haplotyp: Der von der mütterlichen bzw. väterlichen Seite vererbte Komplex gekoppelter → Allele. Haptoglobine: Zuckerhaltige Plasmaproteine, die → Hämoglobin binden können. Der Haptoglobinpolymorphismus spielt eine Rolle bei Fällen strittiger Vaterschaft. Hardy-Weinberg-Gesetz: Die Genhäufigkeiten und damit die Häufigkeiten der beiden homozygoten Genotypen und des heterozygoten bleiben von Generation zu Generation konstant, wenn weder Auslese noch Inzucht wirksam sind. Hashimoto-Thyreoiditis: Immunthyreoiditis, die meist bei Frauen jenseits des 40. Lebensjahres vorkommt. Autoaggressionskrankheit der Schilddrüse. Haushaltsgene: Gene, die für die allgemeinen Aufgaben des Zellstoffwechsels verantwortlich und daher in jeder Zelle aktiv sind. Hefen: Einzellige Pilze (Sprosspilze), die sich hauptsächlich ungeschlechtlich vermehren, entweder durch einfache Zellteilung oder Sprossung. Helikase: Protein zur Entwindung der Doppelhelix. Hemidesmosom: Struktur, die Verankerung von Epithelzellen mit dem darunter gelegenen Bindegewebe herstellt. Hemizygotie: Vererbungsmodus von Genen, die nur einmal im Genotyp vorhanden sind (üblicherweise gebraucht bei Genen, die auf dem einzigen X-Chromosom des Mannes lokalisiert sind). Hepatomegalie: Vergrößerung der Leber bei Rechtsherzinsuffizienz, Hepatitis, Krankheiten mit Ablagerung von Stoffwechselprodukten in den Leberzellen, Geschwülsten und Parasitenbefall.

Heterophagolysosom: → Lysosom, das zellfremdes Material verdaut. Heteroplasmie: Ungleiche Verteilung mutierter → Mitochondrien auf die Tochterzellen. Heterotrophie: Ernährungsweise, die auf organische Nahrung angewiesen ist. Heterozygotentest: Test, der mit biochemischen oder gentechnologischen Methoden erlaubt, heterozygote Träger eines rezessiven Erbleidens festzustellen (Beispiel: Bluterkrankheit). Heterozygotie: Bei eukaryotischen (→ diploiden) Organismen das Vorhandensein von verschiedenen → Allelen an sich entsprechenden genetischen Loki in homologen Chromosomen. Hfr-Stämme: high frequency of recombination-Stämme; Bakterienstämme, bei denen der → F-Faktor ins → Genom eingebaut ist. High motility group box (HMG): Spezielle Aminosäuresequenz der HMG-Proteine, einer Gruppe kleiner Proteine, die neben den → Histonen universeller Protein-Bestandteil der Chromosomen sind high resolution banding: Hochauflösende Bänderungstechnik zur Darstellung von Chromosomen. Hirnsklerose, tuberkulöse: Autosomal-dominantes Erbleiden mit stark wechselnder Expressivität. Adenoma sebaceum, »white spots«, zahlreiche Hirnrindenknoten, verkalkende Hirnventrikel, Tumoren, Netzhautgliome und Nagelfalzfibrome gehören zu den häufigsten charakteristischen Symptomen dieser Erkrankung. Histone: Heterogene Gruppe von Proteinen, reich an basischen Aminosäuren. Sie werden im Komplex mit chromosomaler DNA gefunden und machen etwa die Hälfte des Proteinanteils im Chromosom aus. HIV: human immunodeficiency virus, HI-Virus. Das → AIDS verursachende → Retrovirus.

Herbivor: Pflanzenfressendes Lebewesen.

HLA-System: human lymphocyte system A, humane Leukozytenantigene. Der HLA-Genkomplex ist auf dem kurzen Arm von Chromosom 6 in der Region p21-p23 lokalisiert und determiniert die Histokompatibilität.

Heterochromatin: Chromatin des Interphasekerns, das in spiralisierter Form vorliegt und als inaktives Genmaterial betrachtet wird.

Homozygotie: Bei eukaryotischen (→ diploiden) Organismen das Vorhandensein von identischen → Allelen an sich entsprechenden Loki in homologen Chromosomensegmenten.

320

Glossar der verwendeten Fachausdrücke

Hormon: In einem Körperorgan produzierter chemischer Signalstoff, der RNA-Synthese oder Stoffwechsel in anderen Organen oder Geweben beeinflusst.

Influenzaviren: Grippeviren; Myxovirus influenzae.

Huntington-Krankheit: Autosomal-dominant erbliches Nervenleiden mit choreatischen Bewegungen, langsamem körperlichem Zerfall und zunehmenden psychischen Veränderungen bis zur Demenz schweren Grades. Ausprägung meist zwischen dem 30. und 45. Lebensjahr.

Insertion: Eine Art der Chromosomenmutation, bei der ein DNA-Abschnitt hinzugefügt wird.

Hydrolasen: Enzyme, die Atombindungen in Molekülen durch Addition von Wasser spalten. Z. B. → Proteasen und → Nukleasen. Hypercholesterinämie: Erhöhter Gehalt des Blutes an Cholesterin. Die familiäre Form ist autosomal-rezessiv erblich. Hyperlipämie: Vermehrter Neutralfettgehalt des Blutes.

Initiation: Beginn der → Transkription oder der → Translation.

Insertionssequenz: DNA-Sequenz, die der Integration von → F-Faktoren in das bakterielle Chromosom dient. In-situ-Hybridisierung: Methode zur Lokalisation von → Single-copy-Sequenzen auf der DNA durch Hybridisation von radioaktiver RNA oder DNA an Metaphasechromosomen. Insulin: Lebenswichtiges Hormon der β-Zellen der → Langerhans-Inseln des Pankreas. Das Insulinmolekül besteht aus zwei Ketten, einer A-Kette mit 21 Aminosäuren und einer B-Kette mit 30 Aminosäuren.

Hyperplasie: Größenzunahme eines Organs oder Gewebes. hyperploid: Zellen oder Individuen mit einem oder mehr zusätzlichen Chromosomen oder Chromosomensegmenten. Hypertrophie: Zunahme der Größe eines Organs oder Gewebes durch Vergrößerung der Zellen. Hyphen: Zellfäden von Pilzen, bestehend aus Zellwand und → Zytoplasma mit dessen Einschlüssen: H. können querwandlos oder durch Querwände zellig gegliedert sein. Hypoglykämie: Absinken des Blutzuckers unter Normalwerte. Hypogonadismus: Hormonale Unterfunktion der Keimdrüsen und die daraus resultierenden Krankheitszeichen. hypoploid: Zellen oder Individuen, denen eines oder mehrere Chromosomen oder Chromosomensegmente fehlen. Hypothyreose: Unterfunktion bei Funktionsausfall der Schilddrüse mit Verminderung des Thyroxingehaltes des Blutes. Hypotone Behandlung: Behandlung mit Lösung mit geringerem osmotischem Druck als eine Vergleichslösung; notwendiger Schritt bei der Chromosomenpräparation.

I Immunglobuline: Antikörper, die Antigene erkennen und binden und so den körpereigenen Abwehrmechanismus aktivieren. Da die Proteine mit Antiköperaktivität im Blut des Menschen in der γ-Globulinfraktion nachweisbar sind, werden sie als Immunglobuline bezeichnet. Man unterscheidet zwischen IgG, IgA, IgM, IgD und IgF. Induktor: Signalstoff, der an den → Repressor bindet, diesen dadurch vom → Operator ablöst und somit die → Transkription von Genen einleitet (vgl. → Substratinduktion).

Integrine: Verbindungsmoleküle, die intrazelluläre → Aktinfilamente mit extrazellulären Matrixproteinen verbinden. Intercristaeraum: Raum zwischen den beiden Elementarmembranen eines Mitochondriums. Interkinese: Bildung zweier → haploider Tochterkerne in der 1. Reifeteilung. Interleukin: Bezeichnung für einzelne Faktoren der Lymphokine, einer Stoffgruppe, die von Zellen vermittelte, spezifische Immunreaktionen auslöst und nicht zu den → Immunglobulinen gehört. Die Bildung geht von → Lymphozyten aus. intermediär: Gene verhalten sich intermediär, wenn sich ein heterozygotes Allelpaar phänotypisch als Mittelstellung zwischen den entsprechenden homozygoten Allelkombinationen manifestiert. Intermediärfilamente: Bestandteile des Zellzytoskeletts, z. B. → Desmin-, → Glia-. → Neuro- und → Zytokeratinfilamente, Aufgebaut aus fibrillären Proteinuntereinheiten (→ Keratine). Intermitosezyklus: Zyklus zur Zellvermehrung. Interphase: Phase einer Zelle zwischen zwei → Mitosen. Eigentliche Aktivitätsphase im Zellzyklus, in der alle Synthesen stattfinden, die für die folgende Mitose benötigt werden. Unterteilung in → G1-, S- und G2-Phase. Interphasezytogenetik: Zytogenetik am Interphasekern mit Hilfe der → Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung. Intron: Nichtcodierender Teil der DNA bzw. mRNA, der durch → Splicing beseitigt wird. Inversion: Strukturelle → Chromosomenaberration durch Drehung eines Chromosomenstücks innerhalb eines Chromosoms um 180°.

321 Glossar der verwendeten Fachausdrücke

Ion: Elektrisch geladenes Teilchen, das aus Atomen oder Molekülen entweder durch Entzug eines oder mehrerer Elektronen (positives I.) oder durch Elektronenzufuhr (negatives I.) entsteht.

H–K

pen; manchmal auch Brustkorbanomalien, Herzfehler, hormonale Störungen. Karyogramm: Summe aller Chromosomen einer Zelle, nach morphologischen Kriterien beschrieben.

Ionenpore: Ionenkanal. Transmembraner Proteinkomplex zur Aufnahme von Ionen durch die Zellmembran.

Karyolemm: Doppelschichtige Kernmembran.

IS-Elemente: Insertionssequenzen; bewegliche genetische Elemente; → Transposons.

Karyolymphe: Kernsaft, der die Chromosomen und Nukleolen umgibt.

Isochromosom: Chromosom, dessen Arme morphologisch gleich sind und die identische genetische Information enthalten, wobei die Reihenfolge der Genorte spiegelbildlich symmetrisch ist.

Karyolyse: Auflösung des → Zellkerns. Karyon: → Zellkern oder → Nukleus. Karyoplasma: Plasmatische Substanz im Kernraum.

Isodisomie: Vorliegen desselben elterlichen Chromosoms in zweifacher Ausfertigung. Isoenzyme: Isozyme. Enzymproteine, die sehr ähnliche bzw. identische Reaktionen katalysieren, in ihrem Molekülaufbau jedoch mehr oder weniger verschieden sind. Sie werden häufig in unterschiedlichen Geweben, → Organellen oder Entwicklungsstadien exprimiert. Isoniazid (INH): Isonikotinsäurehydrazid, Tuberkulostatikum mit Wirkung auf schnell wachsende Tuberkulosebakterien, wirkt in hoher Dosis auch tuberkulozid.

J

Karyorrhexis: Zerfall des Chromatins bei der → Nekrose. Karyotyp: Chromosomensatz eines Individuums, definiert sowohl durch Zahl als auch durch Morphologie der Chromosomen, wie sie in der mitotischen Metaphase mikroskopisch sichtbar sind. Kennedy-Syndrom: Sehnervatrophie mit Zentralskotom auf der Herdseite und Stauungspapille auf der Gegenseite bei raumforderndem Prozess in der vorderen Schädelgruppe. Trinukleotidexpansion auf Chromosom Xq. Keratine: Gruppe von Strukturproteinen, die Haare und Nägel aufbauen sowie als Filamentproteine des → Zytoskeletts fungieren (vgl. → Intermediärfilament, → Tonofilament).

Jacob-Monod-Modell: Modell zur Regulation der Genaktivität.

K Kampomele Dysplasie: Fehlbildung der Gliedmaßen mit Verkrümmung.

Kernhülle: Doppelmembran des → Zellkerns. Die äußere Membran geht ins → endoplasmatische Retikulum der Zelle über. In der K. befinden sich zahlreiche → Kernporen. Kernkörperchen: Bestandteil des → Zellkerns, bestehend aus entstehenden Ribosomen und rRNA; auch Nukleolus genannt.

Kandidatengen: Gen, das aufgrund seiner Eigenschaften als potenzieller Lokus für bestimmte Krankheitsgene betrachtet werden kann.

Kernlamina: Netzartiges Geflecht aus Laminen an der Innenmembran des → Zellkerns.

Kaposi-Sarkom: Maligner Tumor der Blutgefäße, bevorzugt der Haut und der inneren Organe, häufiges Symptom bei → AIDS.

Kern-Plasma-Relation: Relation zwischen Kernvolumen und Zytoplasmamenge einer Zelle.

Kapsid: Die aus identischen proteinhaltigen Struktureinheiten (→ Kapsomeren) zusammengefasste Proteinkomponente des → Virions.

Kernporen: Große Proteinkomplexe, die dem Stoffaustausch zwischen Kern und Zytoplasma dienen.

Kapsomeren: Struktureinheiten, die das → Kapsid der Viren bilden.

Kernpyknose: Verdichtung des → Zellkerns bei der → Apoptose. Ketosen: Monosaccharide mit einer Ketogruppe.

Karnivor: Fleischfressendes Lebewesen. Kartagener-Syndrom: Angeborener familiärer Fehlbildungskomplex mit Situs inversus, Bronchiektasien und Nasenpoly-

Kinase: Proteinkinase. Enzym, das Phosphatgruppen von Adenosintriphosphat (ATP) auf Zielmoleküle überträgt und diese damit phosphoryliert.

322

Glossar der verwendeten Fachausdrücke

Kinetochor: Spindelfaseransatzstelle. Kinetosom: → Basalkörper. Klasse: Systematische Einheit: K. steht zwischen Stamm und Ordnung. Klinefelter-Syndrom: → Trisomie der Geschlechtschromosomen vom Typ XXY. Klon: Population von Zellen oder Organismen, die von einer einzigen Zelle abstammen und somit dieselbe genetische Information besitzen. Klon-Contig: Zusammenhängende Region im → Genom, die aus einer Reihe überlappender DNA-Klone besteht. Klonierung: Vervielfältigung von bestimmten DNA-Segmenten durch Einsetzen in → Plasmide oder Viren. Knock-out-Tiermodelle: Tiermodelle, bei denen ein Gen ausgeschaltet ist, um dessen Funktion zu erforschen. Kodominanz: Gene verhalten sich kodominant, wenn bei einem heterozygoten Allelpaar beide Genprodukte unabhängig voneinander vorkommen und sich beide phänotypisch manifestieren.

Konkurrenz: Wettbewerb zwischen zwei Arten oder zwischen zwei Organismen derselben Art um optimale Lebensbedingungen. Konsensussequenz: Meist stark konservierte DNA-Sequenz, die z. B. als Proteinerkennungsregion eine Rolle bei der Genexpression spielt (häufig in → Promotorboxen). Konsumenten: → Heterotrophe Organismen, die bei der Ernährung von energiereichen organischen Verbindungen abhängig sind. Kontaktinhibition: In Zellkulturen Einstellung der Vermehrung durch Anstoßen von Zellen an andere. Kopplungsanalyse: Studie über Genkopplung, die zu Risikoberechnungen für Erbkrankheiten benutzt wird. Kopplungsgruppe: Gene, die in der Regel gemeinsam vererbt werden. Ausnahme: Trennung durch → Rekombination. Kuru-Kuru-Erkrankung: Ähnliche Erkrankung wie die → Creutzfeldt-Jakob-Krankheit. Die Erkrankung wurde in Neu-Guinea beschrieben und durch Verzehr rohen menschlichen Hirns ausgelöst. → Prionen werden als Erreger verantwortlich gemacht.

L Kokken: Mehr oder weniger kugelförmige, unbewegliche, nicht sporenbildende Bakterien, gram-positiv oder gram-negativ.

Labia minora und majora: Kleine und große Schamlippen. lac-Operon: → Laktose-Operon

Kollagen: Zu den Gerüstproteinen gehörende Proteine von helikaler Struktur, die fast ein Drittel des menschlichen Gesamtproteins ausmachen. Vorkommen als kollagene Fasern in Bindegewebe, Sehnen, Faszien und Bändern, die aufgrund ihrer Undehnbarkeit eine hohe Zugfestigkeit aufweisen. Darüber hinaus in Knorpeln oder Epidermis; auch das Ossein des Knochens und das Dentin gehören zu den Kollagenen. Kommensalismus: Tischgenossenschaft. Das Zusammenleben zweier Organismen, bei dem sich der eine, meist kleinere Organismus vom Nahrungsüberschuss des anderen miternährt ohne dass dieser positiv (→ Symbiose) oder negativ (→ Parasitismus) beeinflusst wird. Konduktorin: Heterozygote Überträgerin eines rezessiven Erbleidens. Üblicherweise gebraucht bei X-chromosomal-rezessiver Vererbung; Beispiel: Bluterkrankheit, Konduktorin gesund, → hemizygote Söhne krank. Konjugation: → Parasexuelle Form der Übertragung von genetischer Information durch zellulären Kontakt zwischen einer Spender- und einer Empfängerzelle. In der Empfängerzelle kann dann → Rekombination mit dem Chromosomenabschnitt, der homolog zu dem übertragenen Stück ist, stattfinden.

lag-Phase: Bezeichnung der 1. Phase des Wachstums einer Bakterienkultur, der Anlaufphase, in der u. a. aufgrund der Umstellung auf das neue Nährmedium relativ wenige Teilungen stattfinden. Laktose-Operon: lac-Operon. Funktionelle Einheit der Gene (→ Operon) mit der Information für die laktoseverwertenden Enzyme und deren Regelung. Lamellopodium: Schaufelförmiges Scheinfüßchen bei der amöboiden Zellbewegung. Langerhans-Inseln: Insulin produzierende Zellgruppen in der Bauchspeicheldrüse. Lepore-Hämoglobin: Hb-Form aus α-Ketten mit fusionierten Teilen der β- und δ-Kette, verursacht eine der β-Thalassämie ähnliche → Anämie. Leptotän: Erstes Stadium der Prophase I der 1. Reifeteilung, in dem sich die Chromosomen spiralisieren. Lesch-Nyhan-Syndrom: X-chromosmal-rezessive Erkrankung; Überproduktion von Harnsäure mit Dysfunktion des Zentralnervensystems.

323 Glossar der verwendeten Fachausdrücke

Leukämie, chronisch myelotische: Leukämieform, bei der man in den malignen Zellen des Knochenmarks sowie in den Leukosezellen der Peripherie ein Markerchromosom, das Philadelphia-Chromosom, findet. Es handelt sich um eine reziproke → Translokation zwischen Chromosom 9 und 22.

K–M

Lysogenie: Genetisch kontrollierter Zustand eines durch einen → Bakteriophagen infizierten Bakteriums, in dem die PhagenDNA in das Bakteriengenom integriert ist. Erst nach Induktion (z. B. UV-Strahlen, Chemikalien) wird die Phagen-DNA vermehrt und die Bakterienzelle lysiert.

Leydig-Zellen: Testosteron-produzierende Hodenzwischenzellen.

Lysosom: Membranumgrenztes → Zellorganell, das bei einem pH-Wert 3 Kopplung,