In der Zelle fangen Kontroll-Moleküle die Kuriere der Gene ab, um sie zum Schweigen zu bringen. Wissenschaftler machen sich nun den Kniff der Natur zunutze, um neue Medikamente zu entwickeln.
An einem Tag vor etwa 1500 Jahren spürte ein junger Wikinger die ersten Zeichen einer schleichenden Vergiftung. Er fühlte sich müde und schlapp. Später verfärbte sich seine Haut ungewöhnlich graubraun. Je älter er wurde, desto bronzefarbener wurde sein Teint, die Haare fielen ihm aus, immer häufiger krampfte sein Körper unter schlimmen Schmerzen. Mit wenig mehr als 40 Jahren dürfte er dem langsam wirkenden Gift erlegen sein – sofern ihn nicht zuvor eine andere der seinerzeit zahlreichen Möglichkeiten, zu Tode zu kommen, dahingerafft hat.
Was dem armen Menschen sein halbes Leben lang zusetzte, war Eisen, ein lebenswichtiges Spurenelement. Der Körper entnimmt es der Nahrung nach einem einfachen Prinzip: Hat er genug Eisen, hören die Zellen damit auf, das Spurenelement aus dem Blut zu absorbieren; fehlt Eisen, nehmen sie mehr auf. Dieses System funktionierte bei dem jungen Wikinger nicht. Sein Körper nahm dauerhaft zu viel Eisen auf und deponierte den Überschuss in Haut und Leber, in der Bauchspeicheldrüse, im Herzen, in Milz, Gelenken und Gefäßen. Die Eisenspeicherkrankheit oder „ Hämochromatose” ist heute eine der häufigsten erblichen Stoffwechselstörungen: Jeder achte Europäer hat die Veranlagung dafür. Der namenlose junge Wikinger war vermutlich der „Founder”, wie die Genetiker sagen: derjenige Mensch, bei dem sich der Gendefekt erstmals ereignete und der ihn weitervererbte – über Generationen und Jahrhunderte hinweg.
Molekularbiologen haben das krankhaft veränderte Gen im Jahr 1996 auf Chromosom 6 dingfest gemacht. Das „Hämochromatose-Gen” unterscheidet sich in nur einem Buchstaben vom normalen Gen. Dieser kleine Schreibfehler, eine „Punktmutation”, hat zur Konsequenz, dass in dem Protein (Eiweiß), das nach der Bauanleitung des Gens hergestellt wird, die Aminosäure Cystein gegen Tyrosin ausgetauscht wird. Das im Auftrag des Gens produzierte Membran-Protein büßt dadurch seine Funktion ein.
„Ein Geschenk des Himmels”
Was die aber genau ist und wie die mutierte Variante bewirkt, dass der Körper tödliche Eisenspeicher anlegt, ist nicht bekannt. Auch ein Medikament, das überschüssiges Eisen nebenwirkungsarm abfangen könnte, gibt es noch nicht. Helfen kann den Betroffenen nur ein regelmäßiger Aderlass oder eine belastende maschinelle Blutreinigung. Wird der Körper nicht oder zu spät von seiner Eisenlast befreit, sind die Folgen tödlich. „Die Patienten sterben an Leberkrebs, Herzversagen oder einem anderen schweren Organdefekt”, sagt Martina Muckenthaler, die im Universitätsklinikum Heidelberg seit vielen Jahren die Eisenspeicherkrankheit erforscht. Ihr Ziel ist es, das Erbleiden besser zu verstehen und Ansatzpunkte für Medikamente zu finden. Die Leiterin der Arbeitsgruppe „Molecular Medicine” im Heidelberger Zentrum für Kinder- und Jugendheilkunde hält es für durchaus realistisch, dass sie bald konkrete Ergebnisse hat. Was sie so optimistisch stimmt, ist ein Verfahren, das Forscher als „ Geschenk des Himmels” feiern: die RNA-Interferenz.
Die Viren Austricksen
Das ist ein Mechanismus, den die Natur erfunden hat, um Gene verstummen zu lassen. Muckenthaler und ihre Kollegen ahmen ihn nun im Labor nach und hoffen, rasch reiche Ernte einzufahren. Ein paar Betonbauten weiter, im Neuenheimer Feld Nummer 345, schwärmt Ralf Bartenschlager von einem Breitband-Virostatikum – einem Medikament, das möglichst viele Viren auf einen Streich erledigen kann, ohne dass Resistenzen befürchtet werden müssten. Ein solches Wundermittel zu entwickeln, galt bislang als utopisch: Unüberschaubar groß ist das Heer der allgegenwärtigen Winzlinge, perfide sind die Tricks, mit denen sie menschliche Zellen unterwerfen und für ihre Zwecke missbrauchen. Wenn man aber die Blickrichtung ändere, meint der Direktor der Abteilung für Molekulare Virologie des Universitätsklinikums Heidelberg, und nicht mehr das einzelne Virus, seinen Bau und seine Überwältigungsstrategie betrachte, sondern die menschliche Zelle und deren Netzwerke – dann könnten sich ganz neue Ansatzpunkte für Medikamente finden lassen. Denn trotz ihrer Vielfalt haben Viren eine Gemeinsamkeit: Sie sind auf Wirtszellen angewiesen. Ohne zelluläre Infrastruktur sind die gefährlichen Zellpiraten nichts weiter als tote Materie. „Wir wollen die zellulären Signalwege und Moleküle finden, die für Viren unerlässlich sind”, erklärt Bartenschlager.
Auch er setzt dabei auf die RNA-Interferenz – und eine neue, höchst praktische Erfindung, die die Laborarbeit erleichtern und beschleunigen soll, den „RNA-Interferenz-Mikrochip”. Um den Mann kennenzulernen, der den hochgelobten Chip entwickelt hat, nimmt man den Weg von den Laborgebäuden am Ufer des Neckars auf den Boxberg im Süden von Heidelberg in das „Europäische Laboratorium für Molekularbiologie” (EMBL). Dort arbeitet der Physiker Rainer Pepperkok. Als anschauliches Beispiel für das besondere Können seiner Mikrochips präsentiert er eine beeindruckende Sammlung im Laborraum 4.53. Dort stehen an einer Wand ordentlich in Regale einsortiert zahlreiche bunte Plastikdosen. „Was Sie hier sehen”, erklärt Pepperkok schmunzelnd, „ist das komplette humane Genom in Tupperware.” Die Plastikbehälter verwahren Tausende Mikrochips mit menschlicher DNA. Mit Hilfe der Chips haben die EMBL-Wissenschaftler jedes einzelne der bislang bekannten menschlichen Gene ausgeschaltet.
Die Aufkleber auf den Tupper-Schachteln verraten, dass die Arbeiten im Februar 2005 begannen und bereits im Oktober abgeschlossen waren. Das ist schnell. „Enorm schnell”, bekräftigt Rainer Pepperkok, besonders wenn man die Chip-Technik mit der einzigen Alternative, dem Untersuchen von „Knockout-Mäusen”, vergleiche. Das sind Mäuse, denen einzelne Gene fehlen und die jahrelang gezüchtet werden müssen. Um das in Tupperware konservierte Arbeitsergebnis mit Knockout-Mäusen zu erzielen, müssten für die rund 25 000 Gene des Menschen 25 000 Mäuse gezüchtet werden. „Ein apokalyptisches Projekt”, meint Pepperkok. Mit den Mikrochips kommt man direkt zum Ziel. Denn auf ihrer Oberfläche passiert genau das, was in einer einzelnen Zelle geschieht, wenn Gene ausgeschaltet werden sollen. Die Zelle nutzt dazu kleine Schnipsel aus Ribonukleinsäure (englisch abgekürzt RNA). Dieser RNA, der „armen Verwandten” des Erbmoleküls DNA, wurden lange nur einfache Kurierdienste beim Herstellen von Proteinen zugestanden.
VERSTUMMTE GENE
Doch Ribonukleinsäuren sind mehr als Boten oder Zulieferer: Mit ihrer Hilfe entscheidet die Zelle auch, welche genetischen Informationen nach ihrer Abschrift von der DNA (der Transkription) überhaupt in Proteine umgesetzt werden und welche nicht. Die Molekularbiologen nennen das „post-transkriptionelle Genregulation”. Dass kleine RNA-Moleküle – englisch „small interfering RNAs” (siRNAs) – Gene verstummen lassen können, ist schon seit über 15 Jahren bekannt. Anfang der Neunzigerjahre wurde das Phänomen noch als pflanzliches Kuriosum abgetan – bis die beiden amerika- nischen Zellbiologen Andrew Fire und Craig Mello bei Untersuchungen an ihrem Labortierchen, dem Fadenwurm Caenorhabditis elegans, erkannten, dass es sich dabei wohl doch um mehr als eine Absonderlichkeit im Stoffwechsel von Pflanzen handeln müsse.
Sie fanden auch die Details des merkwürdigen „gene silencing” (Gen-Verstummens) heraus und veröffentlichten ihre Ergebnisse Anfang 1998 in der Zeitschrift „Nature”: Im Zentrum des Geschehens steht dabei die Boten-RNA, die sequenzgleiche Abschrift des Gens, die vom Zellkern unterwegs ist zur Eiweißfabrik der Zelle, dem Ribosom, um dort die Proteinproduktion in die Wege zu leiten. An diese Boten-RNA lagern sich in der Zellsuppe schwimmende, kurze RNA-Stückchen an. Im Gegensatz zur Boten-RNA, die nur aus einem Strang besteht, sind die siRNAs zunächst doppelsträngig. Sie werden erst kurz vor der Bindung an den Boten in Einzelstränge gespalten und dadurch „ scharf gemacht” (siehe Grafik „Überfall auf den Gen-Boten”). Die Folge: Die von den siRNAS markierte Boten-RNA wird von einem Enzymkomplex mit dem martialischen Namen „Slicer” (Schlitzer) abgebaut. Das Übersetzen der genetischen Botschaft in ein Protein kann mangels Vorlage nicht mehr stattfinden. Für die Entdeckung der RNA-Interferenz als „fundamentalen Mechanismus der Genregulation” erhielten Andrew Fire und Craig Mello im Jahr 2006 den Medizin-Nobelpreis.
Ähnlich schnell wie die RNA-Interferenz zu Nobelpreiswürden kam, entwickelte sie sich zum unverzichtbaren Laborwerkzeug, das Forschern dienlich ist, um die Buchstabenfolge (die „Sequenz”) des Lebens nicht nur zu lesen, sondern auch zu verstehen – und außerdem zu begreifen, wie die Zelle diesen Text interpretiert. Denn mittlerweile ist klar geworden, dass Gesundheit und Krankheit weniger vom Text selbst als von seiner Deutung durch die Zelle abhängen. Es kommt darauf an, wann und wie Gene aktiviert – das heißt: in Funktion gesetzt – werden. „Die bisherigen Projekte zur Sequenzierung des menschlichen und vieler weitere Genome haben einen riesigen Datenberg angehäuft”, erklärt Bartenschlager. „Sie versprechen eine reiche Ernte – sofern Techniken vorhanden sind, mit denen der Berg bewältigt und den Daten Sinn gegeben werden kann. Die RNA-Interferenz und die RNA-Interferenz-Chips zählen zweifelsohne dazu.”
Heimtückisches Hepatitis-Virus
Damit sie ihren Zweck erfüllen, wurden auf die Oberfläche eines jeden Chips mit nanotechnischen Methoden exakt 384 Spots (Punkte) aufgetragen. „Jeder dieser Spots enthält eine siRNA-Spezies”, erklärt Pepperkok. Gibt man auf die spezialbeschichteten Chips menschliche Zellen, beginnen diese auf ihnen zu wachsen und nehmen siRNA auf. In den Zellen neutralisieren die RNA-Schnipsel gezielt die zu ihnen passende Boten-RNA. Aufwendige mikroskopische Studien und Computerauswertungen machen die Folgen sichtbar: Wenn ein Gen erfolgreich ausgeschaltet worden ist, entsteht sein Produkt – das Protein – nicht mehr.
Im Labor von Ralf Bartenschlager nutzen die Wissenschaftler die praktischen Mikrochips, um den Weg des Hepatitis-C-Virus (HCV) in den Zellen nachzuvollziehen. HCV ist ein besonders heimtückischer Vertreter der mit Gemeinheiten auch sonst nicht gerade zurückhaltenden Virenzunft. Bei den meisten der weltweit rund 200 Millionen Menschen, die mit dem Virus infiziert sind, nistet sich das Virus als Dauergast in den Leberzellen ein und vermehrt sich dort. Die hochspezialisierten Leberzellen sterben dabei ab und werden durch wertlose Bindegewebszellen ersetzt. Bei fast jedem dritten chronisch Infizierten entwickelt sich Jahrzehnte nach der Ansteckung eine Leberzirrhose, die in Leberzellkrebs übergehen kann. Einen Impfstoff gegen die Hepatitis C gibt es bislang nicht, und nur ein einziges Medikament (Ribavirin) ist derzeit verfügbar, das – kombiniert mit einem immunstimulierenden Botenstoff (Interferon) – bei etwa der Hälfte der Patienten das Virus in Schach halten kann.
Um die zellulären Faktoren zu identifizieren, die die Viren für ihre Vermehrung unbedingt brauchen, träufeln die Wissenschaftler menschliche Zellen auf die speziell für diesen Zweck hergestellten Mikrochips. Die siRNAs verrichten daraufhin ihr Werk und schalten die zu ihnen passende Boten-RNA aus. Jetzt folgt der entscheidende Schritt: Die Wissenschaftler infizieren die auf den Mikrochips wachsenden Zellen mit Hepatitis-C-Viren. „ Wenn daraufhin ein Protein von der Zelle nicht mehr oder nicht mehr in gewohnter Menge produziert wird und zudem die Vermehrung des Virus stagniert, dann wissen wir, dass wir es mit einem zellulären Gen zu tun haben, das an der Virusvermehrung maßgeblich beteiligt ist”, erklärt Bartenschlager. In wenigen Monaten, hofft er, werden die ersten Mikrochip-Testreihen abgeschlossen sein.
Das nachfolgende Auswerten mit speziellen Mikroskoptechniken und komplexen Computerprogrammen wird mehr Zeit beanspruchen. „ Spätestens in drei Jahren wollen wir eine Liste von mindestens 100 Genen vorlegen, von denen wir sagen können, dass sie bei der Virusvermehrung eine Rolle spielen”, nennt Bartenschlager das Ziel der Forscher. Möglicherweise ist darunter dann ein „Target”, eine „molekulare Achillesferse”, an der ein Wirkstoff ansetzen kann. Und vielleicht wird er nicht nur Hepatitis-C-, sondern auch andere Viren von ihrem Zerstörungswerk in der Zelle abhalten. Auch Martina Muckenthaler ist guter Dinge. Sie erwartet, dass sie ihre Arbeiten bald mit einem konkreten Zielmolekül für ein neues Medikament gegen die Eisenspeicherkrankheit abschließen kann. „ Wir haben sogar schon etwas, das diagnostisch interessant sein könnte”, sagt Muckenthaler. Dabei handelt es sich um einen Marker, der jetzt bei Hämochromatose-Patienten daraufhin untersucht wird, ob er die Erkrankungswahrscheinlichkeit anzeigen kann. Das eröffnet Betroffenen die Chance, frühzeitig mit der Therapie zu beginnen und die verhängnisvollen Spätschäden zu verhindern.
Was Eisen im Hirn anrichtet
Ein weiteres wichtiges Ziel der Wissenschaftler ist es, mehr über den Eisenstoffwechsel zu erfahren. „Das war noch vor wenigen Jahren ein gänzlich unbeackertes Feld”, sagt Muckenthaler. Und das gilt es dringend zu ändern, sind doch viele Krankheiten des Menschen eng mit Störungen der Eisenregulation verknüpft – Anämien zum Beispiel, Infektionen oder neurodegenerative Erkrankungen wie die Alzheimer-Krankheit, bei der sich Eisen in den verhängnisvollen Hirnplaques ansammelt. „Wir wollen die zentralen Moleküle des Eisenstoffwechsels identifizieren und deren Rolle bei Erkrankungen des Menschen klären”, sagt Muckenthaler. Auch dabei hilft die geniale Erfindung der Natur. ■
CLAUDIA EBERHARD-METZGER ist Biologin und freie Wissenschaftsjournalistin. Sie hat ein Faible für komplexe Themen aus der biowissenschaftlichen Grundlagenforschung.
von Claudia Eberhard-Metzger
Gut zu wissen: Nukleinsäuren
· Aus den Zellkernen weißer Blutkörperchen isolierte der Schweizer Friedrich Miescher 1869 eine phosphorhaltige Säure, die „Kern”- oder „Nukleinsäure”. Er vermutete, dass sie etwas mit der Vererbung zu tun hat.
· Der deutsche Physiologe Albrecht Kossel kam 1882 zu dem Ergebnis, dass „die Nukleinstoffe” dem Zellkern „wirklich eigentümlich” sind. Außer Phosphor, erkannte er, bestehen Nukleinsäuren aus Zuckermolekülen und vier Basen: Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin. Damit hatte er alle Bausteine des Moleküls beisammen, das heute als Desoxyribonukleinsäure (internationale Abkürzung: DNA) bezeichnet wird. Kossels Erkenntnis wurde 1910 mit dem Nobelpreis für Medizin geehrt.
· Den Feinbau der DNA zu entschlüsseln, blieb einem amerikanisch-englischen Forscherpaar, James Watson und Francis Crick, vorbehalten: Sie erkannten 1953 die Doppelhelix-Struktur der Erbsubstanz.
· Die zweite Sorte von Nukleinsäuren, die Ribonukleinsäure (RNA), unterscheidet sich chemisch nur wenig von der DNA: Als Zuckerbaustein enthält die RNA nicht Desoxyribose, sondern Ribose und statt der Base Thymin die Base Uracil.
· Außerdem ist die DNA eine Doppelkette und die RNA in der Regel eine einfache Kette (Ausnahme: siRNA).
· Der wichtigste Unterschied besteht in der Funktion: Während die DNA das permanente Speichermedium für genetische Informationen ist, übernimmt die RNA vielfältige Spezial-Aufgaben in der Zelle.
· Sie kann genetische Informationen übertragen (mRNA = messenger-RNA oder Boten-RNA),
· beim Übersetzen der genetischen Information helfen (tRNA = transfer-RNA oder Überträger-RNA),
· das Ablesen der genetischen Information regulieren (siRNA = small interfering RNA)
· oder wie Enzyme Reaktionen katalysieren (rRNA = ribosomale RNA).
Geniale Helfershelfer
Als Motor der Forschung spielt die RNA- Interferenz eine genauso große Rolle wie die Polymerase-Kettenreaktion (PCR), eine Erfindung aus dem Jahr 1983, die die Lebenswissenschaften so schnell und tiefgreifend verändert hat wie wenige zuvor. Mit der PCR lassen sich winzige Mengen von Erbinformationen (DNA) innerhalb weniger Stunden milliardenfach vervielfältigen.
Die RNA-Interferenz ist eine der empfindlichsten biologischen Techniken überhaupt und ermöglicht es beispielsweise, kleinste Spuren der Erbsubstanz von Krankheitserregern im Blut nachzuweisen. Dadurch hat sie die Diagnose und Therapieüberwachung von Krankheiten wie Aids und Hepatitis auf eine neue Basis gestellt.
Auch das Humangenomprojekt zur Bestimmung der Buchstabenfolge (Sequenz) des menschlichen Erbguts wäre ohne die PCR nicht möglich gewesen. Als Werkzeug der modernen molekularbiologischen Wissenschaft ist sie unverzichtbar. Für die Erfindung PCR bekam der amerikanische Chemiker Kary B. Mullis 1993 den Nobelpreis – noch schneller haben ihn nur Andrew Fire und Craig Mello für die Entdeckung der RNA-Interferenz erhalten.
„Wir erwarten Ergebnisse”
Die Landesstiftung Baden-Württemberg hat sich das Ziel gesetzt, exzellente Grundlagenforschung zu fördern. Was ist der Grund?
Aus unserer Sicht wird die Grundlagenforschung gegenüber der anwendungsorientierten Forschung vernachlässigt, sie ist aber für die Wirtschaft nicht minder wichtig. Wir fördern exzellente Grundlagenforscher – allerdings sollten ihre Arbeiten schon eine Anwendungsperspektive erkennen lassen.
Die Landesstiftung unterstützt derzeit in Baden-Württemberg 400 Forschungsprojekte mit insgesamt 142 Millionen Euro. Gibt es Förderschwerpunkte?
Ein Schwerpunkt sind die Lebenswissenschaften mit ihrem Blick auf die Gesundheit des Menschen. Weitere Schwerpunkte sind die Hochtechnologie, die Energie- und Umwelttechnik sowie Information und Kommunikation.
Zum Schwerpunkt Lebenswissenschaften zählt auch das Programm „RNA-Interferenz” mit 13 Forschungsgruppen. Nach welchen Gesichtspunkten wählen Sie die einzelnen Projekte aus?
Es gibt immer zuerst eine öffentliche Ausschreibung. Internationale Gutachter entscheiden dann über die Anträge. Das Antragsniveau ist sehr hoch. Unter diesen Spitzenforschern suchen wir nach den Besten des Landes.
Unterliegen auch Spitzenforscher einer Erfolgskontrolle?
Sie ist integraler Bestandteil unseres Konzepts. Die Forscher formulieren halbjährige Meilensteine, jährlich werden die Projekte von qualifizierten Vertretern der Landesstiftung besucht, nach vier- bis fünfjähriger Projektlaufzeit erfolgt eine Schlussbegutachtung. Im Falle des Programms „RNA-Interferenz” er-warten wir, dass die Arbeitsgruppen nach etwa drei Jahren erste Ergebnisse vorweisen können.
Kompakt
· Die RNA-Interferenz, ein innerzellulärer Kontroll-Mechanismus, ist zum unentbehrlichen Werkzeug der Medizinforschung avanciert.
· Statt massenhaft Mäuse zu züchten und mit ihnen zu experimentieren, kommen die Wissenschaftler jetzt mit Mikrochips zum Ziel.
· Ein Wirkstoff gegen Hepatitis-Viren und ein Heilmittel gegen die Eisenspeicherkrankheit könnten erste Anwendungen sein.
Mehr zum Thema
Internet
Informationen über die RNA-Interferenz anlässlich der Nobelpreis-Verleihung 2006: nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2006/
Die Hämochromatose-Vereinigung Deutschland e.V. informiert über die Eisenspeicherkrankheit: www.haemochromatose.org
Informationen zu Hepatitis C sind auf der Website des Robert-Koch-Instituts zu finden: www.rki.de
LESEN
Kompakte Information auf dem neuesten Stand: Michaela Aubele GENETIK FÜR AHNUNGSLOSE Eine Einstiegshilfe für Studierende Hirzel, Stuttgart 2007, 175 S., € 19,80
Überfall auf den Gen-Boten
Aus doppelsträngiger RNA (Schritt 1) macht ein Protein-Komplex mit dem Namen Dicer („Häcksler”) kurze siRNA-Stücke (Schritt 2). An diese RNA-Schnipsel lagert sich ein weiterer Proteinbaustein an (Schritt 3). Der neue Protein-Komplex spaltet nun die siRNA in Einzelstränge auf (Schritt 4). Auf diese Weise entsteht ein aus Proteinen und einzelsträngiger RNA zusammengesetztes Molekül, das wegen seiner aggressiven Eigenschaften auch Slicer („Schlitzer”) genannt wird (Schritt 5). Der Slicer erkennt eine passende Stelle auf einer Boten-RNA (mRNA, blau), welche gerade eine GenAbschrift aus dem Zellkern zur Proteinfabrik, dem Ribosom, transportiert. Er zerlegt diese mRNA (Schritt 6) und bringt so das Gen, dessen Abschrift der Bote trug, zum Schweigen.
