Einleitung
(0:00—1:40)
Mit der Befruchtung einer Eizelle beginnt das Leben eines
Individuums. Die befruchtete Eizelle, auch Zygote genannt, enthaelt die gesamte
Erbinformation, die fuer einen Organismus noetig ist.
Die befruchtete Eizelle eines Kaninchens gleicht der
eines Menschen. Sie enthaelt jedoch ein anderes genetisches Programm, eine
andere genetische Information.
Der
Zellkern (1:41—4:07)
Auch die pflanzlichen Individuen entwickeln sich aus
Zygoten. Pflanzen koennen jedoch auch vegetativ aus isolierten Zellen vermehrt
werden und so zu genetisch identischen Populationen fuehren. Diese Tatsache
belegt, dass in jeder Zelle die gesamte genetische Information enthalten ist.
Die artspezifische genetische Information einer Zelle ist im Zellkern
gespeichert.
Die gezeigte befruchtete Eizelle ist einer Albinomaus entnommen. Das Fehlen des Fellfarbstoffes ist im Erbgut verankert. Mit Hilfe einer Mikropipette kann man den Kern aus der Zelle herausnehmen. Da der Zellkern kleiner als ein Zehntel Millimeter ist, kann dieses Experiment nur unter einem Mikroskop durchgefuehrt werden.
Diese Zellkerne hat man aus den Zygoten einer Maus entnommen,
die eine braune Fellfarbe hat. Mit Hilfe eines Mikromanipulators wird einer
dieser Zellkerne in die entkernte Zygote der Albinomaus uebertragen. Mit
elektrischem Strom wird die Zellmembran durchlaessig gemacht, um so den neuen
Zellkern in die Zygote zu uebertragen.
Wie zu erwarten, haben die Maeuse, die sich aus dieser
Zygote entwickelt haben, ein braunes Fell.
Damit ist bestaetigt, dass der Zellkern Traeger der
artspezifischen genetischen Information ist. (Daneben gibt es genetische
Informationen in den Mitochondrien von Tier- und Pflanzenzellen und in den
Plastiden der Pflanzenzellen.)
Die
Chromosomen (4:08—7:59)
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurde vermutet, dass die
Chromosomen, die wir hier kurz vor der Zellteilung sehen, die Traeger der
Erbinformationen sind. Die Anzahl der Chromosomen ist fuer jede Art spezifisch.
Auch das Geschlecht wird chromosomal festgelegt. Das weibliche Geschlecht wird
durch das Chromosomenpaar XX charakterisiert und das maennliche Geschlecht wird
durch das Chromosomenpaar XY bestimmt.
Um zu belegen, dass die Chromosomen Traeger der Erbinformationen
sind, koennen weitere Experimente durchgefuehrt werden. So kann man z. B. mit
Hilfe eines Mikromanipulators Teile eines Chromosoms aus dem Zellkern
herausnehmen und analysieren. So ist es moeglich einen Zusammenhang zwischen
der Erbinformation des Chromosomenabschnitts und dem Erscheinungsbild von Lebewesen
herzustellen.
Zum weiteren Verstaendnis ist es notwendig den Aufbau
eines Chromosoms zu zeigen. Es besteht aus Proteinen und dem Traeger der
Erbinformation, der DNA, die hier einen langen Faden bildet.
Man kann der befruchteten Eizelle einer Maus ein
DNA-Fragment hinzufuegen, das die Synthese eines Wachstumshormons veranlasst.
Diese manipulierte Eizelle wird wieder dem Muttertier eingepflanzt. Tatsaechlich
entwickeln sich daraus uebergroße Maeuse.
Ebenso ist es moeglich DNA-Fragmente mit beliebigen
Informationen in Bakterien zu uebertragen. Diese Fragmente koennen entweder
direkt in die Zelle transportiert oder in kreisfoermige DNA-Vektoren, so
genannte Plasmide, eingesetzt werden, die Bakterien infizieren.
Anschließend werden diese Bakterien in Bio-Reaktoren
vermehrt. Mit der Bakterienvermehrung wird auch die fremde DNA vermehrt. Neben
der genetischen Information fuer ein bestimmtes Protein muss auch die Nutzung
dieser Information genetisch verankert sein.
Dann werden die Bakterien zu echten Fabriken, die ein
neues Produkt herstellen. Menschliches lnsulin wird z. B. auf diesem Wege
gentechnisch hergestellt.
Die
DNA (8:00—1 0:06)
Betrachten wir nun die DNA eines menschlichen Chromosoms
etwas genauer: Sie ist ein Riesenmolekuel mit einer Laenge von mehreren
Zentimetern, aber nur einer Breite von 1/500.000 mm (2 nm). Aus 2 Straengen wird
eine Doppelspirale gebildet. Jeder Strang enthaelt die gleichen Bauteile, die
Nukleotide. Jedes Nukleotid besteht aus einem Zuckermolekuel, Phosphat und einer
von vier moeglichen Basen. Zur Auswahl stehen Guanin, Adenin, Cytosin und
Thymin. Jeder Strang wird somit aus einer bestimmten Reihenfolge dieser vier
Nukleotide gebildet.
Grundlage der Doppelspiralbildung ist, dass bestimmte
Nukleotide eines Stranges sich immer mit denen des anderen Stranges verbinden.
So steht der Base Guanin immer Cytosin und Thymin immer Adenin gegenueber. Man
spricht von komplementaeren Straengen in der DNA.
Die DNA-Struktur ermoeglicht sowohl eine identische
Vervielfaeltigung der Erbinformation zur Bildung neuer Zellen als auch die
Nutzung der genetischen Information fuer die Proteinsynthese.
Die
Proteinbiosynthese (10:07—12:15)
Zur Proteinsynthese wird die Information eines DNA-Abschnitts
im Zellkern in RNA umgeschrieben. Dieser Vorgang wird Transkription genannt.
Dazu werden die Straenge der Doppelspirale getrennt und komplementaer zu einem
DNA-Strang wird eine RNA synthetisiert. Sie wird Boten-RNA genannt.
RNA ist im Vergleich zur DNA meist nur einstraengig. Sie
enthaelt einen anderen Zucker und Thymin ist durch Uracil ersetzt. Die Boten-RNA
verlaesst nun den Zellkern durch Poren, um zu den Proteinfabriken der Zelle zu
gelangen, den Ribosomen. Sie befinden sich im Zellplasma und bestehen aus ribosomaler
HNA und Proteinen und bilden eine groeßere und eine kleinere Untereinheit.
Die Boten-RNA bildet mit den Ribosomen voruebergehend eine
Einheit. Eine weitere RNA-Variante, die Transfer-RNA, kommt hinzu. Jede
Transfer-RNA bindet eine bestimmte Aminosaeure. Die Transfer-RNAs erkennen
spezifische Basen-folgen auf der Boten-RNA und lagern sich an den bestehenden
Komplex an, wenn die Basenfolge „passt. Zwei TransferRNA-Bindungsstellen
liegen auf dem Ribosom nebeneinander, so dass deren Aminosaeuren miteinander
verknuepft werden koennen. Es entsteht eine lange Aminosaeurekette, ein Protein.
Die
Entschluesselung (12:16—13:45)
Heute kann man bereits die menschliche DNA aus den Zellen
isolieren, um dann die Reihenfolge der Basen zu entschluesseln. Mit
Sequenzanalysen hofft man, die komplette Erbinformation eines Menschen, die aus
ca. 3 Milliarden Basen besteht, in absehbarer Zeit als Basenfolge vorliegen zu
haben. Die Bedeutung der einzelnen DNA-Abschnitte ist damit aber noch nicht
bekannt.
Auch nach der Entschluesselung bleiben viele Fragen offen:
Was machen wir mit dem Wissen um Aufbau und Umsetzung der genetischen
Information? Wem helfen z. B. Kenntnisse ueber Erbkrankheiten? Welche Grenzen
sind der Anwendung der Gentechnik gesetzt?