Replikation der DNA. Beweis der semikonservativen Replikation Meselson und Stahl (1958)

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1 Replikation der DNA Wie wird die genetische Information ohne Fehler von Generation zu Generation weitergegeben? Wie verdoppelt = re(du)pliziert sich die Doppelhelix? Wann bzw. in welcher Zellphase findet die Replikation statt? Welche Replikationsmechanismen sind theoretisch denkbar? Beweis der semikonservativen Replikation Meselson und Stahl (1958) 1

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4 Replikation der Prokaryoten Replikation der Eukaryoten 4

5 Molekularbiologische Mördersuche Ganz Deutschland war in Aufregung, als Mitte Februar wieder einmal ein Mädchen spurlos verschwand. Zwei Wochen lang suchte die Polizei die zwölfjährige Ulrike aus Eberswalde. Dann fand sie das Mädchen unweit der Wohnung ihrer Eltern - missbraucht und ermordet. Lange konnte der Täter nicht gefasst werden, obwohl die Telefone in der ermittelnden Dienststelle heißliefen und fast 3500 Hinweise aus der Bevölkerung eingingen. Doch schließlich führte die Fahndung zum Erfolg. Der Verhaftete gestand, denn er hat eine Spur am Tatort hinterlassen, die ihn eindeutig identifizierte: seine Erbinformation. Wie so viele große wissenschaftliche Entdeckungen war auch die des genetischen Fingerabdrucks mehr ein Zufallsprodukt. Alec Jeffreys von der University of Leicester forschte 1984 über die genetische Entwicklung des Menschen. Bei Untersuchungen an DNA- Fragmenten stellte er fest, dass bestimmte, verstreut liegende DNA-Bereiche erstaunlich variabel sind. Sie unterscheiden sich in ihrer Länge stark von Mensch zu Mensch und kennzeichnen daher eine Person eindeutig. Auf Grund dieser Erkenntnis entwickelte Jeffreys seine berühmte Identifizierungsmethode, für die er 1994 die Ritterwürde erhielt. In seinem ursprünglichen Verfahren isolierte er aus Zellen das gesamte Erbgut, zerschnitt die langen, fädigen DNA-Moleküle mit Hilfe von Enzymen, trennte die Bruchstücke mittels der Gelelektrophorese auf und färbte die interessanten Bereiche spezifisch an. Den entstehenden Strichcode nannte der Forscher in Anlehnung an die "echten" Fingerabdrücke den "genetischen Fingerabdruck". Das erste Mal konnte Jeffreys seine Methode 1985 einsetzen, um das Einwanderunggesuch eines Jungen aus Ghana zu prüfen. Der Zehnjährige wollte seine Mutter nach Großbritannien nachholen, konnte aber nicht beweisen, dass es sich bei der Frau auch wirklich um die leibliche Mutter handelte. Daher verglich Jeffreys den genetischen Fingerabdruck der Frau und dreier ihrer Kinder mit dem des Jungen. Hierdurch konnte er beweisen, dass die Frau tatsächlich die Mutter des Kindes war und die Familie zusammenführen. Für Aufsehen sorgte auch die Identifizierung des Skeletts des berüchtigten KZ-Arztes Josef Mengele, die Jeffreys mit Hilfe seiner Methode gelang. Sein Verfahren war so erfolgreich, dass Großbritannien als erstes Land damit begann, die genetischen Daten von Verurteilten zu speichern. 40'000 Fälle konnten mit Hilfe dieser Datei bereits aufgeklärt werden. Einmaliges Genom Mittlerweile ist der genetische Fingerabdruck eine der besten und sichersten Spuren für Kriminalermittler. Vor allem bei Kapitalverbrechen wie Mord oder Vergewaltigung kommen die Molekulargenetiker der Rechtsmedizin zum Zug. Denn oft hat ein vorsichtiger Täter alle sichtbaren Spuren wie Fingerabdrücke, Reifenspuren oder Kleidungsreste beseitigt. Dann sind winzige Mengen organischen Materials die einzigen brauchbaren Hinweise auf den Täter - mit ihnen hat er seinen "molekularen Personalausweis" am Tatort hinterlassen. Denn so einzigartig wie ein Fingerabdruck ist auch die Erbinformation, die sich in jeder einzelnen Zelle des Körpers befindet. Jeffreys ursprüngliches Verfahren wurde in den letzten Jahren stark verfeinert und verbessert. Das Grundprinzip ist allerdings gleich geblieben. Für die alte wie auch die aktuelle kriminalistische Analyse ist nicht das ganze Genom, sondern nur bestimmte besonders variable Regionen interessant. Einige Bereiche der DNA sind über die Evolution sehr gut erhalten geblieben, weil sie entscheidende Informationen tragen. Eine winzige Veränderung in einem Gen, das für ein wichtiges Protein codiert, kann schon tödliche Folgen haben. Aber es gibt auch Bereiche, die im Laufe der Evolution eine besondere Variabilität zeigen. Nur diese Regionen ziehen die Kriminalisten heran, weil sich hier Unterschiede zwischen den verschiedenen Menschen feststellen lassen. Besonders variabel sind die so genannten Mikrosatelliten, die aus kurzen Abfolgen von zwei oder vier Basen bestehen, welche sich viele Male wiederholen. Satelliten heißen sie, da sie sich anhand ihrer charakteristischen Dichte vom restlichen Genom abtrennen lassen: Sie sammeln sich bei einer Dichtegradientenzentrifugation nicht mit dem Großteil der DNA- Fragmente in einer Hauptbande, sondern bilden schmale Satelliten-Banden. Etwa zehn 5

6 Prozent unseres Erbguts bestehen aus Satelliten-DNA, die vermutlich strukturelle Funktion hat, aber nicht für Proteine codiert. Die Anzahl der sich wiederholenden Basenabfolgen in den Mikrosatelliten und somit die Länge der DNA-Abschnitte unterscheiden sich zum Teil erheblich von Mensch zu Mensch und können daher für die molekulare Personenidentifizierung herangezogen werden. Die Analyse Ausgangsmaterial für die Analyse sind Zellen, welche die Ermittler aus Blut- oder Spermaflecken, Speichelresten an Zigarettenstummeln oder Haaren gewinnen. Diese Zellen lösen die Wissenschaftler auf, trennen Proteine und Fette ab und isolieren das Erbgut. Schon winzige Mengen an Ausgangsmaterial reichen für eine Untersuchung aus, da die Erbinformation mit Hilfe der Polymerase-Kettenreaktion millionenfach vervielfältigt werden kann. Gezielt können die Wissenschaftler so die interessanten Bereiche mit dieser "molekularen Kopiermaschine" in Massen reproduzieren. Die so entstehenden Kopien sind gemäß ihren Originalen unterschiedlich lang. Um die Länge der DNA-Stücke zu ermitteln, füllen die Wissenschaftler das Gemisch in ein Gel, an dem Strom angelegt ist. Da die DNA-Moleküle eine negative Ladung besitzen, wandern sie zum elektrischen Pluspol, wobei sich große Fragmente langsamer bewegen als kleine. Am Ende dieses als Elektrophorese bezeichneten Verfahrens werden die nach Größe angeordneten DNA-Stücke im Gel spezifisch abgefärbt. Von jedem Mikrosatelliten oder Merkmalssystem, wie die Rechtsmediziner es nennen, besitzt ein Individuum zwei Varianten, da das gesamte Genom in allen Zellen des Körpers in doppelter Ausführung vorhanden ist: Eine Hälfte stammt von der Mutter, die andere vom Vater. Somit liegt auch jeder beliebige DNA-Bereich in zwei Varianten - so genannten Allelen - vor. "Fünf bis zehn solcher Systeme untersuchen wir pro Identifizierung - je nach Spurenlage -, um ein eindeutiges Ergebnis zu erhalten", erklärt der Direktor des Rechtsmedizinischen Instituts der Universität Bonn, Burkhard Madea. Eine Rechenaufgabe Für manche hypervariablen Regionen gibt es bis zu zehn unterschiedliche Allele. Für die Genomanalyse ziehen die Wissenschaftler ausschließlich die DNA-Regionen heran, die in möglichst vielen Varianten und mit möglichst gleichmäßiger Verteilung in der Bevölkerung vorkommen. Dass zwei Personen dieselben Allele an allen untersuchten DNA-Bereichen besitzen, ist in höchstem Grade unwahrscheinlich. So kommt eine bestimmte Allelkombination für die fünf Merkmalsysteme, die vom Bundeskriminalamt in Wiesbaden standardmäßig untersucht werden, mit einer Wahrscheinlichkeit von eins zu 100 Milliarden vor. Der Test identifiziert daher eine Person mit einer Sicherheit von weit mehr als Prozent. Wenn aber zu wenig Ausgangsmaterial vorhanden ist und somit zu wenig Zellen isoliert werden konnten, müssen die Wissenschaftler auf eine alternative Methode zurückgreifen: Sie untersuchen die Mitochondrien. Denn nicht nur der Zellkern enthält DNA, sondern auch diese Zellorganellen, die zu Zehntausenden in jeder Zelle vorkommen und deren Energieversorgung sicherstellen. Die mitochondrielle Erbsubstanz ist ein kurzes, ringförmiges DNA-Molekül, das hochkonserviert ist. Nur eine Region ist hypervariabel, weshalb sie für die Analyse herangezogen wird. Indem die Wissenschaftler die Sequenz dieses Bereichs bestimmen, können sie kleine Abweichungen in der Basenabfolge feststellen. Zumeist handelt es sich hierbei um Punktmutationen, also um die Veränderung einer einzigen Base an einer Stelle. Das Auftreten und die Häufigkeit dieser "kleinen Fehler" kennzeichnet den Träger der Erbinformation. "Allerdings ist dieses Verfahren weniger genau als der genetische Fingerabdruck", erklärt Jutta Becker vom Rechtsmedizinischen Institut der Universität Bonn. "Mit seiner Hilfe erfolgt eigentlich mehr ein Ausschluss von Personen als ihre genau Identifizierung." Die Gendatei-Diskussion Seit 1998 ist es auch in Deutschland gesetzlich erlaubt, die DNA-Daten von verurteilten Straftätern und Beschuldigten, die eines Kapitalverbrechens angeklagt sind, zu speichern. Voraussetzung hierfür ist allerdings ein richterlicher Beschluss und die Prognose, dass der 6

7 Straftäter rückfällig werden könnte. Die Datei des BKA umfasste nach Angaben eines Sachverständigen der Behörde im Februar 2001 etwa DNA-Muster, davon 80'000 Personendaten und 10'000 Spurendaten. Jeden Monat kommen um die neue Datensätze hinzu. Seit Bestehen der Datenbank konnten in insgesamt 990 Fällen Spuren erfolgreich einer Person zugeordnet werden. Vaterschaftstest Bin ich's, oder bin ich's nicht? Ein genetischer Vaterschaftstest kann Klarheit über den Nachwuchs liefern. Welche Technik steckt hinter dem juristisch umstrittenen Verfahren? Heimlich durchgeführt bleiben sie juristisch wertlos, aber im Zukunft sollen sie auf legalem Wege leichter möglich werden: Vaterschaftstests. Seit die Antwort auf die bange Frage nach der Urheberschaft der Sprösslinge für wenige hundert Euro zu haben ist, erleben die DNA-Analysen einen wahren Boom. Nicht nur zweifelnde Väter fragen danach, auch die Polizei möchte mit genetischen Methoden Straftäter dingfest machen oder Katastrophenopfer identifizieren. Dabei fing alles - wie so häufig in der Wissenschaft - mit einer Zufallsentdeckung an: Als der britische Biologe Alec Jeffrey vor über zwanzig Jahren über die genetische Entwicklung des Menschen forschte, fiel ihm auf, dass neben den bei allen Menschen identischen Abschnitten der DNA auch Bereiche auftauchen, die individuell hochgradig unterschiedlich sind. Jeffrey erkannte sofort das Potenzial seiner Entdeckung, die er 1985 als "DNA-Fingerprinting" der Fachwelt vorstellte. Jeffreys Methode - für die er 1994 von Königin Elisabeth zum Ritter geschlagen wurde - hat sich seit dem wenig verändert: Die DNA aus menschlichen Zellen wird isoliert und mit bestimmten Enzymen in kleine Stücke zerschnipselt. Den Laboranten genügen hierfür schon winzige Mengen - sei es aus Blut, Speichel, Haaren oder Sperma -, da sie das Erbmaterial mit der 1986 von Kary Mullis entwickelten Polymerasekettenreaktion millionenfach vervielfältigen können. Die Schnipsel gelangen dann auf ein Gel, an dem eine elektrische Spannung angelegt wird. Auf Grund unterschiedlicher Größe und Ladung wandern die DNA-Bruchstücke mit unterschiedlicher Geschwindigkeit durch das Gel und reihen sich mit charakteristischen Abständen zueinander auf. Jetzt müssen die mit dieser "Gelelektrophorese" aufgetrennten DNA-Fragmente nur noch mit Farbstoffen markiert werden, und sie erscheinen als typische Bandenmuster. Für ihre DNA-Analysen verwenden die Vaterschaftstester nicht Durch einen genetischen Fingerabdruck lassen sich Familienverwandtschaften aufklären: Links wurden DNA- Schnipsel der Eltern (M = Mutter, V = Vater) auf einem Gel aufgetrennt, rechts daneben die von drei Kindern (K1, K2 und K3). Wenn die Kinder von den getesteten Eltern abstammen, muss jede bei ihnen vorkommende Bande auch bei einem der Eltern zu beobachten sein. Im hier gezeigten Bild ist dies der Fall, sodass ein Zweifel an der Elternschaft ausgeschlossen werden kann. die Abschnitte, die für bestimmte Proteine kodieren. Das ginge auch gar nicht, weil sich die Menschen hier viel zu wenig voneinander unterscheiden. Hochgradig variabel sind jedoch kurze Abfolgen von nur wenigen Basen, die sich viele Male wiederholen. Da sich diese Schnipsel wegen ihrer Kleinheit von den übrigen DNA-Bruchstücken im Bandenmuster absetzen, werden sie als Mini- oder Mikrosatelliten bezeichnet. Die Funktion der Satelliten-DNA - wenn sie denn eine hat - ist den Genetikern immer noch ein Rätsel. Ohne Selektionsdruck konnten sich in diesen nichtkodierenden Abschnitten zufällige Mutationen anhäufen, sodass sie sich wie "echte" Fingerabdrücke von Individuum zu Individuum unterscheiden. Rückschlüsse auf bestimmte Eigenschaften des Menschen, wie Persönlichkeit, Gesundheit oder das Geschlecht, sind mit dem genetischen Fingerabdruck nicht möglich. Nur die Identität oder - wie beim Vaterschaftstest - die nahe 7

8 Verwandtschaft kann das fälschlicherweise als "Gen-Test" bezeichneten Verfahren ermitteln. Eine genetische ausschließen. Vaterschaft lässt mit 99.9 Prozent nahezu sicher bestätigen - oder aber zu 100 Prozent 8

9 Polymerase-Kettenreaktion 9