Nach der Entdeckung der DNA-Struktur in den frühen 1950er Jahren wurde klar, wie die Erbinformation in den Zellen in der Nukleotidsequenz der DNA kodiert ist. Die Fortschritte, die seither gemacht wurden, sind verblüffend. Fünfzig Jahre später verfügen wir über vollständige Genomsequenzen vieler Organismen, einschließlich des Menschen, und kennen daher die maximale Informationsmenge, die erforderlich ist, um einen komplexen Organismus wie uns zu erzeugen. Die Grenzen der für das Leben erforderlichen Erbinformation schränken die biochemischen und strukturellen Merkmale von Zellen ein und machen deutlich, dass die Biologie nicht unendlich komplex ist.

In diesem Kapitel wird erklärt, wie Zellen die Informationen in ihren Genomen entschlüsseln und nutzen. Wir werden sehen, dass wir schon viel darüber gelernt haben, wie die genetischen Anweisungen, die in einem Alphabet von nur vier „Buchstaben“ – den vier verschiedenen Nukleotiden in der DNA – geschrieben sind, die Bildung einer Bakterie, einer Fruchtfliege oder eines Menschen steuern. Dennoch müssen wir noch viel darüber herausfinden, wie die im Genom eines Organismus gespeicherte Information selbst die einfachste einzellige Bakterie mit 500 Genen hervorbringt, ganz zu schweigen davon, wie sie die Entwicklung eines Menschen mit etwa 30.000 Genen steuert. Es bleibt ein enormes Maß an Unwissenheit; viele faszinierende Herausforderungen warten daher auf die nächste Generation von Zellbiologen.

Die Probleme, mit denen Zellen bei der Entschlüsselung von Genomen konfrontiert sind, lassen sich anhand eines kleinen Teils des Genoms der Fruchtfliege Drosophila melanogaster (Abbildung 6-1) ermessen. Ein Großteil der DNA-kodierten Informationen in diesem und anderen Genomen dient dazu, die lineare Reihenfolge – die Sequenz – der Aminosäuren für jedes vom Organismus hergestellte Protein festzulegen. Wie in Kapitel 3 beschrieben, diktiert die Aminosäuresequenz wiederum, wie sich jedes Protein faltet, um ein Molekül mit einer unverwechselbaren Form und Chemie zu erhalten. Wenn ein bestimmtes Protein von der Zelle hergestellt wird, muss der entsprechende Bereich des Genoms daher genau entschlüsselt werden. Zusätzliche Informationen, die in der DNA des Genoms kodiert sind, legen genau fest, wann im Leben eines Organismus und in welchen Zelltypen jedes Gen in ein Protein umgesetzt werden soll. Da Proteine die Hauptbestandteile von Zellen sind, bestimmt die Entschlüsselung des Genoms nicht nur die Größe, die Form, die biochemischen Eigenschaften und das Verhalten von Zellen, sondern auch die besonderen Merkmale jeder Spezies auf der Erde.

Abbildung 6-1

Schematische Darstellung eines Teils von Chromosom 2 aus dem Genom der Fruchtfliege Drosophila melanogaster. . Diese Abbildung stellt etwa 3 % des gesamten Drosophila-Genoms dar und besteht aus sechs zusammenhängenden Abschnitten. Wie in der Legende zusammengefasst, ist die symbolische (mehr…)

Man hätte erwarten können, dass die Informationen in Genomen in einer geordneten Weise angeordnet sind, ähnlich wie in einem Wörterbuch oder einem Telefonbuch. Obwohl die Genome einiger Bakterien ziemlich gut organisiert zu sein scheinen, sind die Genome der meisten mehrzelligen Organismen, wie z. B. unser Drosophila-Beispiel, überraschend ungeordnet. Kleine Teile der kodierenden DNA (d. h. DNA, die für Proteine kodiert) sind mit großen Blöcken scheinbar bedeutungsloser DNA durchsetzt. Einige Abschnitte des Genoms enthalten viele Gene, in anderen fehlen die Gene ganz. Proteine, die in der Zelle eng miteinander zusammenarbeiten, haben ihre Gene oft auf verschiedenen Chromosomen, und benachbarte Gene kodieren in der Regel Proteine, die in der Zelle wenig miteinander zu tun haben. Die Entschlüsselung von Genomen ist daher keine einfache Angelegenheit. Selbst mit Hilfe leistungsfähiger Computer ist es für Forscher immer noch schwierig, den Anfang und das Ende von Genen in den DNA-Sequenzen komplexer Genome eindeutig zu lokalisieren, geschweige denn vorherzusagen, wann jedes Gen im Leben des Organismus zum Ausdruck kommt. Obwohl die DNA-Sequenz des menschlichen Genoms bekannt ist, wird es wahrscheinlich noch mindestens ein Jahrzehnt dauern, bis der Mensch jedes Gen identifizieren und die genaue Aminosäuresequenz des von ihm produzierten Proteins bestimmen kann. Doch die Zellen in unserem Körper tun dies Tausende von Malen pro Sekunde.

Die DNA in den Genomen steuert die Proteinsynthese nicht selbst, sondern verwendet RNA als Zwischenmolekül. Wenn die Zelle ein bestimmtes Protein benötigt, wird die Nukleotidsequenz des entsprechenden Abschnitts des immens langen DNA-Moleküls in einem Chromosom zunächst in RNA kopiert (ein Vorgang, der Transkription genannt wird). Diese RNA-Kopien von DNA-Abschnitten werden dann direkt als Vorlage für die Synthese des Proteins verwendet (ein Prozess, der als Translation bezeichnet wird). Der Fluss der genetischen Information in den Zellen verläuft also von der DNA über die RNA zum Protein (Abbildung 6-2). Alle Zellen, von Bakterien bis zum Menschen, drücken ihre genetische Information auf diese Weise aus – ein Prinzip, das so grundlegend ist, dass es als das zentrale Dogma der Molekularbiologie bezeichnet wird.

Abbildung 6-2

Der Weg von der DNA zum Protein. Der Fluss der genetischen Information von der DNA zur RNA (Transkription) und von der RNA zum Protein (Translation) findet in allen lebenden Zellen statt.

Trotz der Allgemeingültigkeit des zentralen Dogmas gibt es wichtige Unterschiede im Informationsfluss von der DNA zum Protein. Dazu gehört vor allem, dass RNA-Transkripte in eukaryotischen Zellen einer Reihe von Verarbeitungsschritten im Zellkern unterzogen werden, einschließlich des RNA-Spleißens, bevor sie den Zellkern verlassen und in Proteine übersetzt werden können. Diese Verarbeitungsschritte können die „Bedeutung“ eines RNA-Moleküls entscheidend verändern und sind daher entscheidend für das Verständnis, wie eukaryontische Zellen das Genom lesen. Obwohl wir uns in diesem Kapitel auf die Produktion der vom Genom kodierten Proteine konzentrieren, stellen wir fest, dass bei einigen Genen die RNA das Endprodukt ist. Wie Proteine falten sich viele dieser RNAs zu präzisen dreidimensionalen Strukturen, die in der Zelle strukturelle und katalytische Funktionen haben.

Wir beginnen dieses Kapitel mit dem ersten Schritt der Entschlüsselung eines Genoms: dem Prozess der Transkription, bei dem ein RNA-Molekül aus der DNA eines Gens entsteht. Anschließend verfolgen wir den Weg dieses RNA-Moleküls durch die Zelle, der mit der Bildung eines korrekt gefalteten Proteinmoleküls endet. Am Ende des Kapitels überlegen wir, wie das heutige, recht komplexe System der Informationsspeicherung, Transkription und Translation aus einfacheren Systemen in den frühesten Stadien der zellulären Evolution entstanden sein könnte.