Die Redakteure der Zelle

Bildlich gesprochen gleicht die Informationsverarbeitung in der Zelle einer Nachrichtenagentur, in der Redakteure Texte verfassen, redigieren, Korrektur lesen und zur Veröffentlichung freigeben. Der Aufwand, der betrieben wird, um zu gewährleisten, dass Informationen korrekt übermittelt werden, ist groß. Dennoch können Fehler passieren. Dass auch die "Redakteure der Zelle" nicht unfehlbar sind, beschreiben Gabriele Neu-Yilik und Andreas Kulozik von der Abteilung für Pädiatrische Onkologie, Hämatologie und Immunologie der Universitätskinderklinik.

In der Molekularbiologie ist es Mode geworden, Metaphern aus dem Kommunikations- und Textbereich zu benutzen, um über das menschliche Erbgut, die Gene und ihre Produkte zu sprechen. Ein Beispiel ist das Wort "Information", das häufig verwendet wird, um genetische Zusammenhänge zu beschreiben. Seit der "genetische Code" entschlüsselt ist, wissen wir sehr viel mehr über die genetische Information. Das menschliche Genom – die Gesamtheit der genetischen Information eines Organismus – wird oft als ein künftig vollständig "lesbares" Informationssystem betrachtet, eine Art Bau- und Gebrauchsanweisung für Organismen, die "kopiert", "abgeschrieben", "redigiert" und "editiert" und "übersetzt" wird.

Solche Metaphern dienen dazu, abstrakte Vorstellungen zu veranschaulichen und komplexe Vorgänge verständlicher zu machen. Naturgemäß bleiben sie jedoch das, was sie sind: ein Bild. Wenn auch eines, das stark auf das wissenschaftliche Denken rückwirkt. Unter diesem Vorbehalt wollen auch wir Analogien aus den Bereichen Texterstellung, -editierung und -veröffentlichung verwenden, um zu erklären, wie Krankheiten auf der Ebene der Moleküle entstehen.

Wie viele wissenschaftliche Termini wandelt sich der Inhalt des Begriffs Gen stetig. Was weiß man heute von den Genen? Gene sind im Zellkern auf den Chromosomen zu finden. Nach heutigem Kenntnisstand machen Gene nur etwa 25 Prozent des Erbguts aus. Die übrigen 75 Prozent des Genoms – des gesamten menschlichen Erbguts – enthalten regulierende Elemente und Bereiche, deren Funktion noch nicht bekannt ist. Biochemisch betrachtet sind Gene Abschnitte eines sehr langen fadenförmigen Moleküls, der Desoxyribonukleinsäure (DNS). "Echte" Gene enthalten die Bauanleitungen für Eiweißmoleküle (Proteine), den eigentlichen Funktionsträgern der Zelle. Das Genom ist also gewissermassen ein "Archiv" der genetischen Information. Die Abfolge (Sequenz) der DNS-Bausteine (Basen), die ein Gen zusammensetzen, wird im Zellkern in die Boten-Ribonukleinsäure (engl. Messenger-RNS; mRNS) umgeschrieben, "transkribiert".

Der Bote trägt die genetische Information zur Herstellung eines Proteins aus dem Kern in das Zellplasma. Dort wird die Information abgelesen und in eine Kette aus Aminosäuren, den Bausteinen von Proteinen, übersetzt (Translation). Dieser Weg vom Gen zum Protein – die Genexpression – ist sowohl in den Einzelschritten als auch in seiner Gesamtheit überaus komplex und immer noch nicht vollständig verstanden.

In den noch gar nicht so weit zurückliegenden Anfängen der Molekulargenetik galt noch das zentrale Dogma "DNS macht RNS, RNS macht Protein". Ein anderes Dogma lautete "Ein Gen = ein Protein". Beide Lehrmeinungen sind heute so nicht mehr gültig. Auch die Ansichten über die sehr eingeschränkte Aufgabe, die man ursprünglich der Boten-RNS zugewiesen hatte, gelten als überholt. Man sah die Funktion der mRNS auf den Transport der genetischen Information beschränkt und maß ihr anfänglich keine über diese "Botschafterrolle" hinaus gehende Bedeutung zu. Doch stellte sich das sehr bald als Irrtum heraus.

Die genetische Information liegt in den protein-kodierenden Genen nicht etwa in einer ununterbrochenen Abfolge von Sinn gebenden Wörtern vor, die gleichsam ohne Nachdenken abgeschrieben werden könnten. Vielmehr wechseln sich auf der DNS sinnvolle (kodierende) Abschnitte, die tatsächlich die Information für den Bau eines Proteins tragen, mit "nichtssagenden" Abschnitten ab. Bevor die mRNS zur Proteinsynthese verwendet werden kann, müssen die "nichtssagenden" Abschnitte entfernt und die sinnvollen zusammengefügt – "gespleißt" – werden. Die sinnvollen werden dann zusammen mit regulativen Abschnitten aus dem Zellkern hinaus, in das Zellplasma transportiert. Sie werden daher "Exons" genannt. Im Kern zurück bleiben die "Introns", also diejenigen Abschnitte, die nicht in Protein übersetzt werden. Sie werden dort abgebaut. Sowohl Introns wie Exons werden also zunächst in mRNS abgeschrieben. Noch im Zellkern wird dieser "Text" jedoch redaktionell bearbeitet.

Dafür verantwortlich ist eine molekulare Maschine, das "Spleißeosom": Introns, die keine für die Proteinsynthese relevanten Informationen enthalten, werden aus der mRNS herausgekürzt und Sinneinheiten, also Exons, zusammengefügt. Die Tätigkeit des Spleißeosoms (nach dem engl. splice = zusammenkleben) gleicht also der Arbeitsweise eines Autors, der Textbausteine eines ursprünglich ausführlichen Manuskriptes je nach Auftraggeber und Leserkreis immer wieder anders zusammenstellt. Auch das Spleißeosom kombiniert Exons unterschiedlich. Auf diese Weise entsteht jedesmal ein anderer Text. Molekularbiologisch gesprochen: Es entstehen Bauanleitungen für strukturell zwar verwandte, aber funktionell oft sehr verschiedene Proteine.

Aus einer begrenzten Anzahl von "Textbausteinen" kann die Zelle also je nach Bedarf unterschiedliche "Texte" zusammenstellen. Dadurch erreichen Organismen eine größere Komplexität und Vielfalt ihrer Produkte als es die relativ geringe Zahl der Gene vermuten lässt. Man nimmt an, dass manche Gene Tausende von Spleißvarianten produzieren können.

Eine fertige mRNS hat typischerweise eine Reihe von Eigenschaften. Neben Kappe und Poly-A-Schwanz haben die meisten mRNS-Moleküle so genannte "untranslatierte" Regionen, die zwar keine Rolle als Bauanleitung für das Protein spielen, aber dennoch häufig Instruktionen enthalten, beispielsweise für die Stabilität der mRNS selbst oder für Zeitpunkt, Ort und Häufigkeit der Übersetzung.

Zusätzlich zur redaktionellen Bearbeitung wird die mRNS im Zellkern noch "getrimmt". Ihr vorderes Ende erhält eine besondere "Kappe", die wichtig ist für ihre Stabilität und Transportfähigkeit. Außerdem dient die Kappe später als "Landeplattform", von der aus die Ribosomen – die Proteinsynthesefabriken im Zytoplasma – tätig werden können. An das hintere Ende der mRNS wird ein auffälliger "Schwanz" angehängt, der ausschließlich aus einem RNS-Baustein, der Base Adenin, besteht. Man spricht deshalb auch vom "Poly-A-Schwanz". Er bestimmt unter anderem die Lebensdauer des Botenmoleküls. In ihrer Gesamtheit werden die Vorgänge, die aus der unreifen eine reife mRNS werden lassen, "Prozessierung" genannt. Eine fertig prozessierte und zur Übersetzung in Protein bereite mRNS ist zumeist in typischer Weise gebaut: Am vorderen Ende trägt sie die "Kappe", in der Mitte findet sich der proteinkodierende Bereich, auch "Leserahmen" genannt und am Ende sitzt der Poly-A-Schwanz. Die Prozessierung ist auch für das molekulare Verständnis von Krankheiten von grosser Bedeutung. Dies wollen wir an zwei Beispielen verdeutlichen.

Beim ersten Beispiel, einer erblichen Form der Thrombophilie, handelt es sich um eine verhängnisvolle Neigung des Blutes, gefährliche Blutpfropfen (Thromben) zu bilden. Bei etwa ein bis zwei Prozent der Menschen ist das Prothrombin-Gen verändert (mutiert). Personen, die von dieser Mutation betroffen sind, haben ein deutlich größeres Risiko, gefährliche Thrombosen zu entwickeln. Das Produkt des Prothrombin-Gens – das Protein Prothrombin – ist ein wichtiger Teil des Blutgerinnungssystems. Auf Grund der Mutation ist die Menge an Prothrombin im Blut um 50 Prozent erhöht. Dementsprechend höher ist das Risiko, eine Thrombose zu erleiden.

Die Mutation ereignet sich nicht im proteinkodierenden Teil der mRNS, sondern dort, wo der Poly-A-Schwanz dem Botenmolekül angehängt wird. Dieser Befund gab zunächst Rätsel auf. Die Nähe der Mutation zum Poly-A-Schwanz ließ an eine veränderte Lebensdauer der mRNS oder eine verbesserte Übersetzung (Translation) in Protein denken. Eine experimentelle Analyse zeigte jedoch, dass die Mutation den Herstellungsprozess der Prothrombin-mRNS verbesserte: Mehr mRNS-Moleküle wurden hergestellt; infolgedessen waren auch mehr Matrizen für die Translation in Protein verfügbar. Dieser Befund war erstaunlich. Denn er zeigt, dass die Zelle in manchen Fällen einen Produktionsprozess "absichtlich" ineffizient gestaltet. Die Frage ist, warum sie das tut. Dies ist der Gegenstand unserer derzeitigen Forschungsarbeiten.

Vorstellbar wäre es beispielsweise, dass es sich der Organismus vorbehält, nur dann große Mengen an Prothrombin-mRNS herzustellen, wenn das Protein auch tatsächlich gebraucht wird, beispielsweise wenn das Blutgerinnungssystem nach einer Operation oder einer schweren Verletzung aktiv wird, um Wunden zu schließen. Der Vorgang ist vergleichbar mit dem modernen "Publishing on Demand" im Verlagswesen, wo Bücher abhängig von der unmittelbaren Nachfrage produziert werden.

Bei unserem zweiten Beispiel betrifft die Mutation nicht den Poly-A-Schwanz, sondern den kodierenden Bereich einer mRNS, der die Information für die Herstellung eines Proteins enthält. Das Leseraster beginnt stets mit der Basenfolge Adenin-Uracil-Guanin (AUG), dem Codewort für die Aminosäure Methionin. Das Ende des Leserasters markiert ein Stoppzeichen. Es ist gleichsam der Punkt, der das Ende eines Satzes anzeigt. Den Ribosomen signalisiert das Stoppzeichen, die Proteinsynthese zu beenden. Hier zeigt sich, dass die Genauigkeit, mit der die Abschrift und das Redigieren der genetischen Information im Zellkern erfolgt, von größter Wichtigkeit ist: Abschreibefehler oder fehlerhaft eingefügte Buchstaben können den Sinn verstellen. Wenn sich der zelleigene Redakteur (das Spleißeosom) beim Herauskürzen der Introns und dem Zusammenfügen der Exons auch nur um einen einzigen "Buchstaben" (eine Base) irrt, verschiebt sich das Leseraster. Die Folge: Ein völlig anderes Protein wird produziert.

Ein typischer Fehler während des Redigierens ist, dass ein Stoppzeichen in den Sinn tragenden Abschnitt der mRNS hineingerät. Solche "Nonsense-Mutationen" machen nach jüngsten Schätzungen etwa 25 bis 30 Prozent aller Mutationen aus. Intuitiv würde man annehmen, dass die Ribosomen, wenn sie einem solchen verfrühten Stoppzeichen begegnen, das Ablesen der Bauanleitung zu früh beenden un ein verkürztes Protein synthetisieren. Tatsächlich gibt es Beispiele für einen solchen Vorgang – mit fatalen Folgen, wie wir noch sehen werden.

Häufig ist es jedoch so, dass die Zelle das falsch platzierte Zeichen in der Bauanleitung erkennt, bevor größere Mengen des falschen Proteins gebildet werden. Eine solche fehlerhafte mRNS wird wieder abgebaut. Diesen Vorgang nennen Molekularbiologen "Nonsense-vermittelten mRNS-Abbau", kurz NMD (für engl. nonsense-mediated mRNA decay). Die redaktionelle Arbeit des NMD-Mechanismus besteht darin, den Informationsgehalt des Botenmoleküls auf seine Richtigkeit und Lesbarkeit zu überprüfen und Ausschuss rechtzeitig zu beseitigen. Es handelt sich also um eine "Qualitätskontrolle" der Zelle für ihre eigenen Produkte, deren Bedeutung schon daran erkennbar ist, dass sie allen bisher untersuchten höheren Lebewesen von der Hefe bis zum Menschen zur Verfügung steht.

Höhere Organismen besitzen in der Regel einen doppelten Chromosomensatz und deshalb von allen Genen zwei Ausführungen. Von der Mutation betroffen ist zumeist nur eine Ausführung. Die von dem nicht veränderten "gesunden" Gen gelieferte und damit fehlerfreie mRNS reicht meist aus, um genügend Protein zu liefern. Die zweite, vom "kranken" Gen abgeschriebene fehlerhafte mRNS wird von der Zelle erkannt und zerstört. Dadurch wird der Schaden abgewendet, der von einem verkürzten Protein angerichtet werden könnte.

Ein eindrucksvolles Beispiel hierfür ist die b-Thalassämie, eine vorwiegend im Mittelmeerraum und in Asien auftretende erbliche Form der Blutarmut. Für diese weltweit häufigste erbliche Erkrankung sind häufig Nonsense-Mutationen im Gen für das Protein Beta-Globin verantwortlich. Beta-Globin ist ein Bestandteil des roten Blutfarbstoffs und Sauerstoffträgers Hämoglobin. Weil die fehlerhafte Beta-Globin-mRNS von der Zelle erkannt und abgebaut wird, folgt die Erkrankung in den meisten Fällen einem rezessiven Vererbungsmodus, das heißt Menschen, bei denen nur eine Ausführung des Gens mutiert ist, erkranken nicht. Zum Ausbruch kommt die Erkrankung erst, wenn beide Gene mutiert sind. Es gibt jedoch Ausnahmen: Wenn die Nonsense-Mutation in einem bestimmten Bereich der Beta-Globin-mRNS liegt, kann sie nicht erkannt werden. Dann wird ein zu kurzes Protein gebildet und in das Hämoglobin-Molekül integriert. Das lebenswichtige Protein wird dadurch funktionsuntüchtig. Die Betroffenen leiden an schwerer Blutarmut und können auf Bluttransfusionen angewiesen sein.

Die "Code-Sonne" veranschaulicht die Verschlüsselung der 20 verschiedenen Aminosäuren (im Kreis ganz außen) durch die Basen der DNS (innere Kreise), Bestimmte Dreierkombinationen von Basen signalisieren auch, wann die Proteinsynthese in den Ribosomen beginnen (so genanntes Start-Codon) und wann sie enden soll (Stopp-Codon).

Auch den Qualitätskontrolleuren in der Zelle können also Fehler unterlaufen. Woran aber liegt es, dass nicht alle Nonsense-Mutationen erkannt werden? Eine Antwort lieferte die genaue Analyse der Mutationen, die zur Erkrankung führen. Dabei stellte sich heraus, dass einer Mutation, die sich im vorderen Teil des Gens ereignet, stets die Degradation der mRNS folgt. Mutationen hingegen, die im letzten Exon des Gens liegen beziehungsweise im zweitletzten unmittelbar vor der "Schweißnaht" zum letzten, können vom NMD-Mechanismus nicht erkannt werden: Das verkürzte Beta-Globin-Protein wird produziert.

Die positionsabhängige Bedeutung von Nonsense-Mutationen konnte auch in vielen anderen Genen gezeigt werden. Dies legt den Schluss nahe, dass das Spleißen selbst eine wichtige Rolle spielt. Doch auch der Übersetzungsvorgang, die Translation im Zytoplasma, ist von großer Bedeutung. Die Qualitätskontrolle besteht also aus zwei Komponenten: eine ist zellkernständig und spleißabhängig, und die andere ist zellplasmaständig und translationsabhängig. Beide Komponenten müssen funktionieren, damit ein korrektes Protein entsteht.

Diese sich aus den Experimenten ergebende Schlussfolgerung war zunächst nur schwer zu verstehen, sind beide Prozesse doch räumlich voneinander getrennt. Als Erklärung bietet sich an, dass ein Nonsense-Kodon in der mRNS während der Übersetzung in Protein nur dann als Fehler erkannt werden kann, wenn ihm noch eine "Schweißnaht" folgt. Bei einem natürlichen Stoppkodon ist das in aller Regel nicht der Fall. Diese Vorstellung kann auch erklären, warum Mutationen im letzten Exon des Beta-Globin-Gens so fatale Folgen haben: Weil der durch eine Schweißnaht gekennzeichnete Exon-Exon-Übergang fehlt, werden sie mit dem natürlichen Stoppzeichen verwechselt und das verkürzte Beta-Globin-Protein entsteht.

Aus einem einzigen Gen können durch variable Kombination des Exons und in seltenen Fällen sogar der Introns mehrere Genprodukte (Proteine) entstehen. Dafür verantwortlich ist eine molekulare Maschine, das "Spleißeosom". Seine Tätigkeit gleicht der Arbeitsweise eines Autors, der aus einer begrenzten Anzahl von Textbausteinen je nach Bedarf unterschiedliche Texte zusammenstellt.

Bleibt die Frage, was es mit den Schweißnähten zwischen den Exons auf sich hat. Ein derzeit verbreitetes Modell postuliert, dass das Spleißeosom an diesen Stellen etwas hinterlässt, das als Markierung dient und das richtige von falschen Stoppkodons unterscheiden lässt. Eine solche "Markierung" erfolgt in der Tat. Die Zelle verwendet dazu einen Komplex aus Proteinen. Wie diese Proteinmarkierung während der Translation erkannt wird und was daraufhin veranlasst, dass die fehlerhafte mRNA zerstört wird, ist jedoch noch unbekannt.

Die Beispiele sollen verdeutlichen, dass die mRNS keineswegs ein langweiliger Zwischenträger genetischer Information ist. Im Gegenteil: Sie ist ein für die Genexpression so bedeutendes Molekül, dass die Natur eigens Methoden entwickelt hat, um zu gewährleisten, dass die genetische Information in richtiger Menge und fehlerfrei übermittelt wird. Die Rolle der mRNS ist also keineswegs auf die eines Büroboten beschränkt, dessen Aufgabe lediglich darin besteht, die Konstruktionsbüros der entscheidenen Leute mit Plänen zu beliefern. An der mRNS zeigt sich vielmehr, dass es Zellen möglich ist, bereits auf frühen Ebenen in die Informationsübermittlung einzugreifen. Die redaktionelle Bearbeitung der im menschlichen Genom enthaltenen Information ist eine beachtliche Leistung. Ebenso die nachfolgende Qualitätskontrolle. Beide Vorgänge sind außerordentlich komplex und erst ansatzweise verstanden. Unser Ziel ist es, die Mechanismen und die medizinische Bedeutung dieser biologisch komplexen Prozesse zu durchschauen und dadurch Krankheiten besser zu verstehen.

Autoren:
Dr. Gabriele Neu-Yilik und Prof. Dr. Andreas Kulozik
Universitätskinderklinik, Abteilung für Pädiatrische Onkologie, Hämatologie und Immunologie,
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