1 Nucleinsäuren, Chromatin und Chromosomen

Klaus W. Wolf, Jörg Soppa (1.5)

1.1 Die DNA trägt die erblichen Eigenschaften eines Organismus

Desoxyribonucleinsäure (desoxyribonucleic acid, DNA) und Ribonucleinsäure (ribonucleic acid, RNA) sind in allen Organismen vorhanden. Die DNA stellt als doppelsträngige Helix (DNA-Doppelhelix) das Erbgut der Bacteria, Archaea und Eukarya dar, während die RNA vorwiegend eine Rolle beim Informationsfluss in der Zelle spielt. Eine Ausnahme sind die Viren. Sie besitzen immer nur eine Art von Nucleinsäuren, entweder DNA oder RNA, die sowohl als einzelsträngige als auch als doppelsträngige Genome vorkommen. Die genetische Information wird über die Vorgänge der Transkription und Translation der Zelle zugänglich gemacht.

Der Tübinger Forscher Friedrich Miescher gilt als der Entdecker der Nucleinsäuren. Er isolierte in den Sechziger- und Siebzigerjahren des 19. Jahrhunderts aus tierischen und menschlichen Geweben eine Substanz, die er Nuclein nannte, da er diese Substanz aus dem Nucleus, also dem Zellkern, isoliert hatte. Man geht heute davon aus, dass er in seinen Experimenten keine reinen Nucleinsäuren vor sich hatte, sondern eine Mischung aus Proteinen und Nucleinsäuren. Die erste Isolierung von proteinfreien Nucleinsäuren gelang Richard Altman im Jahr 1889. Er prägte auch den Begriff Nucleinsäuren. Der Begriff der Chromosomen, das sind die Einheiten, in denen das genetische Material organisiert ist, geht auf Walter Flemming zurück und bürgerte sich in den Achtziger- und Neunzigerjahren des 19. Jahrhunderts ein. Um die Jahrhundertwende war man sich sicher, dass Chromosomen Nucleinsäuren enthalten.

Obwohl schon Anfang des 20. Jahrhunderts die Vermutung geäußert wurde, dass eine chemische Substanz wie die Nucleinsäuren für die vererbten Eigenschaften eines Organismus verantwortlich sein könnte, brachten erst die Versuche von Frederick Griffith und Oswald Avery Klarheit.

Griffith übertrug 1928 in einem Verfahren, das wir heute als Transformation bezeichnen (Mikrobiologie), eine erbliche Eigenschaft eines Bakterienstamms auf einen anderen. Griffith benutzte einen Wildtypstamm des Bakteriums Streptococcus pneumoniae, dessen Zellen von einer Schleimkapsel umgeben sind, wodurch die Kolonien ein glattes Aussehen haben. Daher wird dieser Stamm als Stamm S (s = smooth) bezeichnet. Der Stamm S führte bei Mäusen nach Injektion zu einer tödlichen Infektion ( ? Abb. 1.1), während durch Hitze inaktivierte Zellen des S-Stammes keinerlei Wirkung mehr zeigen. Eine Mutante von S. pneumoniae, die die Fähigkeit zur Ausbildung der Schleimkapsel verloren hat, wird wegen ihrer unregelmäßigen Kolonien als Stamm R (r = rough) bezeichnet. Eine Infektion mit dem Stamm R hatte für die Mäuse keine tödlichen Folgen, da den Bakterien die schützende Schleimkapsel fehlt, sodass die Immunabwehr der Mäuse die Bakterienzellen angreifen kann. ( ? Abb. 1.1b). Wurden die Bakterien des R-Stammes jedoch gemeinsam mit durch Hitze inaktivierten Bakterien des S-Stammes in die Mäuse injiziert, verlief die Infektion tödlich ( ? Abb. 1.1d). Damit war klar, dass eine hitzestabile chemische Substanz, die die Erbinformation trägt, von den abgetöteten Bakterien des S-Stammes in die normalerweise nicht-virulenten des R-Stammes übertragen worden war. Die Bakterien vererbten die durch Transformation erworbene Eigenschaft anschließend auf ihre Nachkommen. Aufbauend auf den Experimenten von Griffith konnten an den Zellen des S-Stammes unter systematischem Einsatz von RNA-, DNA- und Proteinextraktionen sowohl RNA als auch Proteine als Träger des Erbmaterials ausgeschlossen und der Nachweis erbracht werden, dass das Erbmaterial aus DNA besteht. Diese weiterführenden Ergebnisse wurden im Jahr 1944 von Oswald Avery und Mitarbeitern publiziert.

Die Rolle der DNA wurde durch die Experimente von Alfred Day Hershey und Martha Chase im Jahr 1952 bestätigt. Die beiden Forscher arbeiteten mit dem Bakteriophagen T2, der das Darmbakterium Escherichia coli befällt (Mikrobiologie).

Griffith Experimente.

Abb. 1.1 a Bei der Injektion von Bakterien (Stamm S) mit extrazellulärer Schleimkapsel kommt es bei Mäusen zu einer tödlichen Infektion. b Bakterien vom Stamm R fehlt die Schleimkapsel. Infizierte Tiere überleben, da das Immunsystem die Bakterien unschädlich machen kann. c Werden Bakterien des S-Stammes durch Erhitzen abgetötet, überleben die mit den inaktivierten Bakterien infizierten Mäuse ebenfalls. d Erst wenn zu den inaktivierten Bakterien des S-Stammes lebende Bakterien des R-Stammes zugegeben werden, verläuft die Infektion tödlich.

Die Bakteriophagen bestehen aus einer Proteinhülle, die man im Experiment mit einem Schwefelisotop (35S) markieren kann. Schwefelatome kommen in Nucleinsäuren nicht vor DNA kann dagegen mit einem Phosphorisotop (32P) markiert werden. Phosphoratome fehlen wiederum in Proteinen (abgesehen von einigen seltenen Fällen in denen posttranslational Proteine phosphoryliert werden). In zwei unabhängigen Experimenten infizierten Hershey und Chase Bakterien mit den T2-Phagen, die entweder radioaktiv markiertes Protein oder radioaktiv markierte DNA enthielten. Es stellte sich heraus, dass nur die radioaktiv markierte DNA in den neu gebildeten Phagen auftauchte, nicht aber die radioaktiv markierten Proteine ( ? Abb. 1.2). Die Experimente von Frederick Griffith, Oswald Avery, A. D. Hershey und Martha Chase gelten heute als die klassischen Arbeiten, deren Ergebnisse die DNA als Träger der genetischen Information identifizierten.

Bei Eukaryoten befindet sich der Hauptanteil der DNA im Zellkern (Kerngenom, ncDNA). Vergleichsweise geringe Mengen an DNA sind in den Mitochon- drien (Mitochondriengenom, mtDNA) und den Plastiden (Plastidengenom, ptDNA) enthalten. Die Gesamtheit der in der DNA enthaltenen Information ist in Teilstücke gegliedert: die Gene. Ein Gen ist ein DNA-Abschnitt, der die Information für die geregelte Synthese eines RNA-Moleküls enthält, das anschließend entweder als Vorlage für die Synthese eines Polypeptids bzw. Proteins dient oder selbst eine Funktion in der Zelle übernehmen kann. Dieser Vorgang, bei dem die in den Genen enthaltene Information der Zelle zugänglich gemacht wird, wird als Genexpression bezeichnet. Die in einem Gen enthaltene Information wird zuerst in RNA umgeschrieben (Transkription, Kap. ? 4). Stellt das RNA-Transkript nicht selbst das Endprodukt der Genexpression dar, lenkt das RNA-Molekül, dann als Messenger-RNA (mRNA) bezeichnet, an den Ribosomen die Synthese des Polypeptids, dessen Aminosäuresequenz durch die Nucleotidsequenz der RNA vorgegeben ist (Translation, Kap. ? 5). Bei diesen Vorgängen werden noch andere Formen der RNA benötigt: Die ribosomale RNA (rRNA), die mit Proteinen assoziiert als strukturelle Komponente der Ribosomen an der Proteinbiosynthese (Translation) beteiligt ist, sowie die Transfer-RNAs (tRNAs), die die Anlieferung von Aminosäuren und das Lesen der mRNA übernehmen. Daneben existieren im Kern (snRNA) und im Cytoplasma (scRNA) eine Reihe von kurzen RNAs. Die mit Proteinen assoziierte snRNA spielt eine Rolle beim Splicing (Spleißen). Bei der Regulation der Translation verhindert u. a. antisense-RNA über RNA-RNA-Duplexbildung das Ablesen der mRNA (sense-RNA). Bei manchen Viren ist jedoch auch RNA in einzel- und doppelsträngiger Form als Träger der Erbinformation nachgewiesen worden, so z. B. in den Retroviren Mikrobiologie).

DNA als Träger der genetischen Information.

Abb. 1.2 Nach der Infektion fand sich die gesamte radioaktiv markierte DNA in den neu gebildeten Phagen, während radioaktiv markierte Proteine nur in Spuren nachzuweisen waren. Daraus schloss man, dass die DNA das Erbmaterial darstellt, das an die nächste Generation der Phagenpartikel weitergegeben wird.

Nucleinsäuren: DNA und RNA, Polynucleotide. Speicher und Überträger der genetischen Information. Strukturelemente, können enzymatische Funktion haben.

Gen: DNA-Abschnitt, der die Information für die Synthese eines RNA-Moleküls enthält, das entweder als Vorlage für die Synthese eines Polypeptids bzw. Proteins (Translation) dient oder selbst eine Funktion in der Zelle übernimmt.

Genexpression: Vorgang, bei dem die Information der Gene über Transkription und Translation der Zelle zugänglich gemacht wird.

1.2 DNA- und RNA-Bausteine

RNA und DNA sind Polynucleotide, deren Bausteine aus einem Zuckermolekül, einer Base und einer Phosphatgruppe bestehen. Bei der DNA ist der Zuckerbestandteil 2´-Desoxyribose, bei der RNA Ribose. Die DNA enthält die Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin. Bei der RNA ersetzt Uracil das Thymin.

Grundbausteine der DNA.

Abb. 1.3 a Nucleotide bestehen aus einer Pentose, einer Base und einem Phosphatrest. Die...