Grundlagen der Molekulargenetik

 

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?