Gene sind die Baupläne für die chemische Maschinerie, die die Zellen am Leben erhält. Das gilt für den Menschen und alle anderen Lebensformen. Aber wussten Sie, dass der Mensch mit 20.000 Genen fast 11.000 weniger Gene hat als der Wasserfloh? Wenn die Anzahl der Gene nicht die Komplexität vorhersagt, was dann?
Die Antwort ist, dass unser genetisches Material viel mehr enthält als die Einheiten, die wir Gene nennen. Genauso wichtig sind die Schalter, die ein Gen an- und ausschalten. Und wie die Zellen die genetischen Anweisungen lesen und interpretieren, ist beim Menschen viel komplexer als bei den Wasserflöhen.
Gene und die Schalter, die sie steuern, bestehen aus DNA. Das ist ein langes Molekül, das einer Spiralleiter ähnelt. Seine Form wird als Doppelhelix bezeichnet. Insgesamt drei Milliarden Sprossen verbinden die beiden äußeren Stränge – die aufrechten Stützen – dieser Leiter. Wir nennen die Sprossen Basenpaare nach den beiden Chemikalien (Paaren), aus denen sie bestehen. Die Wissenschaftler bezeichnen jede Chemikalie mit ihrem Anfangsbuchstaben: A (Adenin), C (Cytosin), G (Guanin) und T (Thymin). A paart sich immer mit T; C paart sich immer mit G.
In menschlichen Zellen existiert die doppelsträngige DNA nicht als ein riesiges Molekül. Sie ist in kleinere Brocken aufgeteilt, die Chromosomen (KROH-moh-soams) genannt werden. Diese sind in 23 Paaren pro Zelle verpackt. Das macht insgesamt 46 Chromosomen. Die 20.000 Gene auf unseren 46 Chromosomen werden als menschliches Genom bezeichnet.
Die Rolle der DNA ist vergleichbar mit der Rolle des Alphabets. Sie hat das Potenzial, Informationen zu übertragen, aber nur, wenn die Buchstaben so kombiniert werden, dass sie sinnvolle Wörter ergeben. Die Aneinanderreihung von Wörtern ergibt Anweisungen, wie bei einem Rezept. Gene sind also Anweisungen für die Zelle. Wie Anweisungen haben auch Gene einen „Anfang“. Ihre Aneinanderreihung von Basenpaaren muss in einer bestimmten Reihenfolge erfolgen, bis sie ein bestimmtes „Ende“ erreichen.
Wenn Gene wie ein Grundrezept sind, sind Allele (Ah-LEE-uhls) Versionen dieses Rezepts. Zum Beispiel geben die Allele des Gens für die Augenfarbe vor, wie die Augen blau, grün, braun und so weiter werden. Wir erben von jedem unserer Elternteile ein Allel, also eine Genversion. Das bedeutet, dass die meisten unserer Zellen zwei Allele enthalten, eines pro Chromosom.
Aber wir sind keine exakten Kopien unserer Eltern (oder Geschwister). Der Grund: Bevor wir sie vererben, werden die Allele wie ein Kartenspiel gemischt. Dies geschieht, wenn der Körper Ei- und Samenzellen herstellt. Sie sind die einzigen Zellen mit nur einer Version jedes Gens (statt zwei), verpackt in 23 Chromosomen. Ei- und Samenzellen verschmelzen in einem Prozess, der als Befruchtung bezeichnet wird. Damit beginnt die Entwicklung eines neuen Menschen.
Durch die Kombination von zwei Sätzen von 23 Chromosomen – ein Satz aus der Eizelle, ein Satz aus der Samenzelle – hat dieser neue Mensch am Ende die üblichen zwei Allele und 46 Chromosomen. Und ihre einzigartige Kombination von Allelen wird nie wieder auf genau dieselbe Weise entstehen. Das macht jeden von uns einzigartig, aber wir sind keine exakten Kopien unserer Eltern (oder Geschwister). Der Grund: Bevor wir sie vererben, werden die Allele wie ein Kartenspiel gemischt. Dies geschieht, wenn der Körper Ei- und Samenzellen herstellt. Sie sind die einzigen Zellen mit nur einer Version jedes Gens (statt zwei), verpackt in 23 Chromosomen. Ei- und Samenzellen verschmelzen in einem Prozess, der als Befruchtung bezeichnet wird. Damit beginnt die Entwicklung eines neuen Menschen.
Eine befruchtete Zelle muss sich vermehren, um alle Organe und Körperteile des Babys zu bilden. Um sich zu vermehren, teilt sich eine Zelle in zwei identische Kopien. Die Zelle verwendet die Anweisungen auf ihrer DNA und die Chemikalien in der Zelle, um eine identische DNA-Kopie für die neue Zelle herzustellen. Dann wiederholt sich der Prozess viele Male, indem eine Zelle kopiert wird, um zwei zu werden. Und zwei Kopien werden zu vier. Und so weiter.
Um Organe und Gewebe herzustellen, verwenden die Zellen die Anweisungen auf ihrer DNA, um winzige Maschinen zu bauen. Sie steuern Reaktionen zwischen Chemikalien in der Zelle, die schließlich Organe und Gewebe produzieren. Diese winzigen Maschinen sind Proteine. Wenn eine Zelle die Anweisungen eines Gens abliest, nennt man das Genexpression. Eine befruchtete Zelle muss sich vermehren, um alle Organe und Körperteile des Babys zu bilden. Um sich zu vermehren, teilt sich eine Zelle in zwei identische Kopien. Die Zelle verwendet die Anweisungen auf ihrer DNA und die Chemikalien in der Zelle, um eine identische DNA-Kopie für die neue Zelle herzustellen. Dann wiederholt sich der Prozess viele Male, indem eine Zelle kopiert wird, um zwei zu werden. Und zwei Kopien werden zu vier. Und so weiter.
Wie funktioniert die Genexpression?
Die Genexpression ist auf Hilfsmoleküle angewiesen. Diese interpretieren die Anweisungen eines Gens, um die richtigen Arten von Proteinen herzustellen. Eine wichtige Gruppe dieser Hilfsmoleküle ist die so genannte RNA. Sie ist chemisch ähnlich wie die DNA. Eine Art von RNA ist die Boten-RNA (mRNA). Sie ist eine einzelsträngige Kopie der doppelsträngigen DNA.
Die Herstellung von mRNA aus DNA ist der erste Schritt der Genexpression. Dieser Vorgang wird als Transkription bezeichnet und findet im Zellkern statt. Der zweite Schritt, die so genannte Translation, findet außerhalb des Zellkerns statt. Dabei wird die mRNA-Botschaft in ein Protein umgewandelt, indem die entsprechenden chemischen Bausteine, die so genannten Aminosäuren, zusammengesetzt werden.
Alle menschlichen Proteine sind Ketten mit unterschiedlichen Kombinationen von 20 Aminosäuren. Einige Proteine steuern chemische Reaktionen. Einige übermitteln Nachrichten. Wieder andere dienen als Baumaterial. Alle Organismen brauchen Proteine, damit ihre Zellen leben und wachsen können.
Um ein Protein zu bauen, reihen sich Moleküle eines anderen RNA-Typs – der Transfer-RNA (tRNA) – entlang des mRNA-Strangs auf. Jede tRNA trägt an einem Ende eine Drei-Buchstaben-Sequenz und am anderen Ende eine Aminosäure. Die Sequenz GCG zum Beispiel trägt immer die Aminosäure Alanin (AL-uh-neen). Die tRNAs gleichen ihre Sequenz mit der mRNA-Sequenz ab, jeweils drei Buchstaben auf einmal. Dann fügt ein weiteres Hilfsmolekül, das so genannte Ribosom (RY-boh-soam), die Aminosäuren am anderen Ende zum Protein zusammen.
Ein Gen, mehrere Proteine
Wissenschaftler dachten zunächst, dass jedes Gen den Code für die Herstellung nur eines Proteins enthält. Sie irrten sich. Mit Hilfe der RNA-Maschinerie und ihrer Helfer können unsere Zellen aus ihren 20.000 Genen weit mehr als 20.000 Proteine herstellen. Wie viele es genau sind, wissen die Wissenschaftler nicht. Es könnten ein paar Hunderttausend sein – vielleicht auch eine Million!
Wie kann ein Gen mehr als eine Art von Protein herstellen? Nur einige Abschnitte eines Gens, die so genannten Exons, kodieren für Aminosäuren. Die Bereiche dazwischen sind Introns. Bevor die mRNA den Zellkern verlässt, entfernen Hilfsmoleküle die Introns und fügen die Exons zusammen. Wissenschaftler bezeichnen dies als mRNA-Spleißen.
Die gleiche mRNA kann auf unterschiedliche Weise gespleißt werden. Dies geschieht oft in verschiedenen Geweben (z. B. in der Haut, im Gehirn oder in der Leber). Es ist, als ob die Leser verschiedene Sprachen „sprechen“ und dieselbe DNA-Botschaft auf verschiedene Weise interpretieren. Das ist eine Möglichkeit, wie der Körper mehr Proteine als Gene haben kann.
Eine andere Möglichkeit. Die meisten Gene haben mehrere Schalter. Die Schalter bestimmen, wo eine mRNA beginnt, eine DNA-Sequenz zu lesen, und wo sie aufhört. Unterschiedliche Start- oder Endstellen erzeugen unterschiedliche Proteine, manche länger und manche kürzer. Manchmal beginnt die Transkription erst, wenn sich mehrere Chemikalien an die DNA-Sequenz anlagern. Diese DNA-Bindungsstellen können weit vom Gen entfernt sein, beeinflussen aber dennoch, wann und wie die Zelle ihre Botschaft abliest.
Splicing-Variationen und Genschalter führen zu unterschiedlichen mRNAs. Und diese werden in unterschiedliche Proteine übersetzt. Proteine können sich auch verändern, nachdem ihre Bausteine zu einer Kette zusammengefügt wurden. Zum Beispiel kann die Zelle Chemikalien hinzufügen, um einem Protein eine neue Funktion zu geben.
Die DNA enthält mehr als Bauanleitungen
Die Herstellung von Proteinen ist bei weitem nicht die einzige Aufgabe der DNA. Tatsächlich enthält nur ein Prozent der menschlichen DNA die Exons, die von der Zelle in Proteinsequenzen übersetzt werden. Die Schätzungen für den Anteil der DNA, der die Genexpression steuert, reichen von 25 bis 80 Prozent. Die Wissenschaftler kennen die genaue Zahl noch nicht, weil es schwieriger ist, diese regulatorischen DNA-Regionen zu finden. Einige sind Genschalter. Andere stellen RNA-Moleküle her, die nicht am Aufbau von Proteinen beteiligt sind.
Die Steuerung der Genexpression ist fast so komplex wie die Leitung eines großen Symphonieorchesters. Man bedenke nur, was eine einzige befruchtete Eizelle braucht, um sich innerhalb von neun Monaten zu einem Baby zu entwickeln.
Spielt es also eine Rolle, dass Wasserflöhe mehr proteinkodierende Gene haben als Menschen? Nicht wirklich. Ein Großteil unserer Komplexität verbirgt sich in den regulatorischen Bereichen unserer DNA. Und die Entschlüsselung dieses Teils unseres Genoms wird die Wissenschaftler noch viele, viele Jahre lang beschäftigen.