Vom Gen zur Biostruktur. Prof. Dr. Patrick Cramer, LMU Genzentrum, München. Beitrag zur Festschrift der 3. Münchner Wissenschaftstage 2003

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1 Vom Gen zur Biostruktur Prof. Dr. Patrick Cramer, LMU Genzentrum, München Beitrag zur Festschrift der 3. Münchner Wissenschaftstage 2003 Fäden des Lebens 50 Jahre DNA-Doppelhelix Vor 50 Jahren wurde die Doppelhelix-Struktur der DNA aufgeklärt. Warum gibt diese Entdeckung Anlaß zum Feiern? Sicherlich ist es zunächst die zentrale Bedeutung der DNA selbst, die die Aufklärung der DNA-Struktur so bedeutend macht: DNA ist das fadenförmige Material, aus dem unsere Gene sind. Gene stellen den gesamten Bauplan für unseren Organismus bereit. Sie sind die Träger der Erbinformation, die an unsere Nachfahren weitergereicht wird. Ein kompletter Satz von etwa Genen befindet sich in jeder Zelle unseres Körpers, und zwar im sogenannten Zellkern. Um die vielen Gene unterzubringen, sind allerdings etwa zwei Meter DNA Faden nötig. Um diese zwei Meter DNA Faden in jeden der winzigen Kerne vieler Milliarden Körperzellen zu packen, benutzt die Natur eine ausgefeilte Strategie der DNA-Aufwicklung. Die DNA, die Gene selbst, sind stumm. DNA ist nur das Speichermedium der genetischen Information und für sich genommen eher langweilig. Den Genen muss Sprache verliehen werden, die in ihnen schlummernden Informationen müssen erweckt werden. Die Wissenschaftler sprechen davon, dass die Gene exprimiert werden müssen. Diese Expression der Gene liegt der Entwicklung und dem Erhalt eines Organismus zugrunde und läuft in zwei großen Schritten ab (Abbildung 1). Der zweistufige Prozess der Genexpression bildet die Grundlage des Lebens.

2 Abbildung 1: Die Expression der Gene erfolgt in zwei großen Schritten. Im ersten Schritt der Genexpression werden die DNA-Abschnitte kopiert, die einem bestimmten Gen entsprechen. Der Gen-Kopiervorgang, die Transkription, findet im Zellkern statt, da sich ja hier die gesamte DNA befindet. Die entstehende Kopie des Gens wird Boten-RNA genannt. Nach ihrer Fertigstellung wird die Boten-RNA aus dem Zellkern geschleust und gelangt in die umgebende Zellflüssigkeit zwischen Kern und Oberfläche der Zelle. In der Zellflüssigkeit dient die Boten-RNA als Vorlage und Bauanleitung für die Synthese eines Eiweißstoffes (Proteins). Die Protein-Synthese auf Grundlage einer Boten-RNA stellt den zweiten großen Schritt der Genexpression dar und wird Translation genannt, da hier die in der RNA gespeicherte Information in eine Abfolge von Protein-Bausteinen übersetzt (translatiert) wird. Die zwei großen Schritte der Genexpression laufen nicht spontan ab. Vielmehr sind dafür zwei sehr komplizierte molekulare Nano-Maschinen nötig: die RNA-Polymerase, die die Transkription bewerkstelligt, und das Ribosom, das die Translation durchführt. Die RNA-Polymerase benützt DNA als Matrize und fertigt eine Kopie in Form der Boten-RNA an. Die RNA-Polymerase ist ein spezielles Protein, ein sogenanntes Enzym, das als Katalysator wirkt und den Prozess der Transkription erst ermöglicht. Ausserdem kann die RNA-Polymerase auf die vielfältigste Art und Weise reguliert werden. Diese Regulation stellt sicher, dass stets nur gerade benötigte Gene an 2

3 einem bestimmten Ort und zu einer bestimmten Zeit kopiert werden. Die Gene werden also indirekt kontrolliert, indem der Prozess der Gen-Transkription reguliert wird. Die bei der Transkription erhaltene Boten-RNA dient als Bauanleitung für ein Protein, das im zweiten Schritt der Genexpression vom Ribosom synthetisiert wird. Das Ribosom übersetzt dazu die Abfolge der Boten-RNA-Bausteine in eine Abfolge von Protein-Bausteinen, den Aminosäuren. Dieser Prozess der Translation führt zu funktionsfähigen Proteinen, die nun die vielfältigsten Aufgaben im Organismus wahrnehmen. Proteine sind also die Produkte der Gene, die infolge der Genexpression entstehen. Da jedes Protein eine spezifische Funktion hat, hat jedes Gen eine spezielle Wirkung. Gene wirken also indirekt, auf dem Umweg des entsprechenden Proteins. Somit ist durch den Prozess der Genexpression ein stummes Gen, das nur Information enthält, in ein aktives Protein umgewandelt worden, das eine bestimmte Aufgabe in der lebenden Zelle übernimmt. Die Proteine können die unterschiedlichsten Funktionen wahrnehmen und ihr hochkompliziertes Zusammenspiel bringt die biochemischen Lebensprozesse hervor. Viele dieser Lebensprozesse und die zugrundeliegenden Proteine sind uns bekannt. Muskelfasern etwa bestehen aus den Proteinen Aktin und Myosin. Unsere Muskeln werden mit Sauerstoff aus der Lunge versorgt, der durch das Protein Hämoglobin, den roten Blutfarbstoff, transportiert wird. Infizieren wir uns mit Viren oder Bakterien, so produziert unser Immunsystem Antikörper. Auch das sind Proteine, in diesem Fall Proteine, die auf die Erkennung und Abwehr von Eindringlingen spezialisiert sind. 3

4 Warum sind Proteine, im Gegensatz zu den Genen, in der Lage, eine Vielzahl verschiedener Funktionen wahrzunehmen? Das liegt daran, dass Proteinmoleküle die verschiedensten dreidimensionalen Strukturen ausbilden können, wohingegen DNA in der Regel einfach als Doppelhelix vorliegt. Proteine aber können länglich, rundlich, oder sogar tunnelförmig sein. Sie haben oft bewegliche Teile, die wie Werkzeuge eingesetzt werden. Proteine können auf der Oberfläche verschiedenartig geladen sein. Sie können fettlöslich oder wasserlöslich sein. Proteine können sich mit anderen Proteinen verbünden und eine gemeinsame Funktion erfüllen. Zudem sind Proteine meist veränderbar und regulierbar. Die Funktion eines Proteins wird also durch seine dreidimensionale molekulare Struktur und deren Veränderbarkeit bestimmt. Um die Funktion von Proteinen zu verstehen, müssen wir daher die dreidimensionale Proteinstruktur in atomarem Detail kennen und verstehen. Die Wissenschaft, die sich mit der Aufklärung dieser Strukturen beschäftigt, wird als Strukturbiologie bezeichnet. Die Aufklärung der DNA-Doppelhelix durch Watson und Crick im englischen Cambridge der frühen 50er Jahre war eine der Sternstunden der frühen Strukturbiologie, weil sie zeigte, wie man mittles Stukturinformation biologische Prozesse, in diesem Fall die Vererbung der genetischen Information, verstehen kann. Trotz enormer technischer Schwierigkeiten konnte die Strukturbiologie über die letzten Jahrzehnte einen Siegeszug feiern. Viele Strukturen von Nukleinsäuren und Proteinen haben eine solide Grundlage für das Verständnis grundlegender molekularbiologischer Prozesse geschaffen. Ein großes Ziel der Strukturbiologen war es auch, die Strukturen der beiden großen biologischen Nano-Maschinen der Genexpression aufzuklären. Es wäre natürlich faszinierend, wenn wir diesen 4

5 Nano-Maschinen direkt bei der Arbeit zusehen könnten. Gerne würden wir sehen, wie die RNA- Polymerase die Boten-RNA als DNA-Kopie während der Transkription erstellt, und wie das Ribosom während der Translation ein Protein mit Hilfe der Boten-RNA als Bauanleitung synthetisiert. Obwohl diese Nano-Maschinen im Vergleich zu anderen Objekten der atomare Welt riesig sind, sind sie doch noch immer viel zu klein, um in einem Mikroskop sichtbar zu sein. Selbst ein Elektronenmikroskop, mit dem sehr kleine Objekte betrachtet werden können, liefert uns nur die Umrisse der biologische Nano-Maschinen. Um hochaufgelöste Bilder der Nano-Maschinen zu erhalten, müssen wir einen Trick anwenden. Wir müssen viele dieser Maschinen in Reinform produzieren, sie kristallisieren und den entstandenen Kristall mit sehr intensiver Röntgenstrahlung durchleuchten. Selbst in einem winzigen Kristall von 1/10 mm Kantenlänge sind einige Millionen der Nano-Maschinen in einem regelmäßigen Gitter angeordnet. Dieses Gitter führt dazu, dass die Röntgenstrahlung gebeugt, das heißt in verschiedene Richtungen abgelenkt, wird. Aus den Röntgenbeugungs-Daten kann dann ein hochaufgelöstes dreidimensionales Bild errechnet werden. Die sehr intensive Röntgenstrahlung erhalten wir an Teilchenbeschleunigern (Abbildung 2). Teilchenbeschleuniger sind riesige, ringförmige Gebäude, in denen die Forscher Nächte durcharbeiten, um in die geheimnisvolle Nano- Welt einzudringen. Den Vorgang der Strukturbestimmung eines Moleküls über den Umweg der Kristallisation und Röntgenbeugung bezeichnet man als Röntgenstrukturanalyse. 5

6 Abbildung 2: Teilchenbeschleuniger ESRF in Grenoble, Frankreich, an dem sehr intensive Röntgenstrahlung produziert wird. Die Methoden der Röntgenstrukturanalyse haben sich über die letzten Jahrzehnte dramatisch weiter entwickelt. Für die Aufklärung der DNA Struktur vor 50 Jahren wurden auch Röntgenbeugungsdaten verwendet, die von Rosalind Franklin und Maurice Wilkins aus London stammten. DNA Fasern ergaben ein X-förmiges Röntgenbeugungsmuster, das wertvolle Informationen über die DNA Struktur enthält (Abbildung 3, links). Diese Bilder wurden von Watson und Crick in Cambridge genutzt, um die DNA-Doppelhelix zu modellieren. Im Vergleich zu diesen recht einfachen Bildern sind die heute erhaltenen Röntgenbeugungs-Bilder viel komplizierter, und enthalten somit auch viel mehr Information (Abbildung 3, rechts). Weitere Methoden der Strukturaufklärung sind die magnetische Kernspinresonanz (NMR) und die erwähnte Elektronenmikroskopie. Beide Techniken werden an einem Marktstand der Wissenschaft präsentiert. 6

7 Abbildung 3: Röntgenbeugungsbilder eines DNA Fadens (links, Franklin/Wilkins) und eines Proteinkristalls (rechts). Die langwierige Aufklärung der dreidimensionalen atomaren Strukturen von RNA-Polymerase und Ribosom mittels Röntgenstrukturanalyse führte in den letzten drei Jahren zu großen Erfolgen. Das Ergebnis sind hochdetailierte Bilder dieser biologischen Nanomaschinen, in denen zehntausende von Atomen sichtbar sind, aus denen die Maschinen bestehen. Diese atomaren Bilder liefern eine Fülle von Informationen, mit deren Hilfe wir die zentralen Lebensprozesse der Genexpression besser verstehen. 7

8 Die dreidimensionale Struktur der RNA-Polymerase beispielsweise hat die großartige atomare Architektur dieser biologischen Nano-Maschine offenbart (Abbildung 4). Zwischen zwei großen Abbildung 4. Struktur der RNA-Polymerase (Armache, Kettenberger & Cramer, 2003). Die 12 Untereinheiten des Proteins sind in verschiedenen Farben dargestellt. Protein-Untereinheiten klafft eine tiefe Spalte, die die DNA aufnimmt. Am Eingang der Spalte wird die zu kopierende DNA erfasst. Am Boden der Spalte befindet sich das katalytisch wirkende aktive Zentrum. Ein beweglicher Teil des Polymerase schließt sich wie eine molekulare Klammer über der DNA-Matrize und dem Boten-RNA-Produkt. Das Schließen der Klammer gewährleistet, dass die Transkription eines Gens nicht abbricht, selbst wenn das Gen sehr lang ist. Dies ist ein Beispiel dafür, wie Ergebnisse der Strukturbiologie biologische Funktion auf der molekularen Ebene erklären. Alle Strukturen von Biomolekülen, die von Strukturbiologen weltweit gelöst werden, werden zentral in einer Datenbank gesammelt ( Inzwischen stehen in dieser Datenbank über Biostrukturen zur Verfügung, und die Zahl gelöster Strukturen pro Jahr steigt weiter (Abbildung 5). 8

9 Abbildung 5: Zunahme der Zahl an Biostrukturen von 1972 bis heute Diese Biostrukturen bilden in vielerlei Hinsicht die Grundlage der modernen Lebenswissenschaften. Sie verschaffen uns ein molekulares, mechanistisches Verständnis der biochemischen Lebensprozesse. Die Biostrukturen dienen auch dem rationalen, computergestützten Design von Medikamenten. Dieses Drug design ist nun in der pharmazeutischen Industrie weit verbreitet und hat bereits zur Entwicklung wichtiger neuer Medikamente, wie etwa einem Medikament für die AIDS-Therapie, beigetragen. Vielleicht hat die Aufklärung der DNA-Doppelhelix die Entwicklung der Strukturbiologie so stark beeinflusst, weil sie auf so eindrucksvolle Weise die besondere Stärke der Strukturbiologie demonstriert hat: von der DNA-Struktur ließ sich sofort auf den Mechanismus der biologischen Funktion der DNA, der Vererbung, schließen. Ebenso ermöglichen heutzutage hunderte neuer Biostrukturen faszinierende und unerwartete Einblicke in die Nano-Welt lebender Zellen. 9