50 Jahre DNA

Natürlich gibt es unsere Erbsubstanz schon ein paar Jahrmilliönchen, aber vor 50 Jahren, am 25. April 1953, erschien in "Nature" die einseitige Arbeit mit einer Abbildung, die die Doppelhelix-Struktur der DNA vorschlug: "Wir möchten eine Struktur für das Salz der Desoxyribonucleinsäure (D.N.A.) vorschlagen. Ja, damals war man beim Publizieren noch bescheiden.

Das es eine Vererbung von äußeren und inneren Merkmalen gibt war irgendwie schon recht früh klar und so machten sich die Menschen ans Züchten.

So richtig kam man der Erbsubstanz erst auf die Spur, als die Mikroskope besser wurden und auch systematischer geforscht wurde.

So entdeckte 1866 der Brünner Augustinermönch Gregor Mendel bei 13000 Kreuzungsversuche mit Erbsen Gesetzmäßigkeiten bei der Vererbung. Allerdings hatte er auch Glück gehabt. Die Merkmale die er untersuchte befanden sich auf verschiedenen Chromosomen. Ansonsten hätte seine Regel von der Neukombination der Anlagen nicht so einfach aufstellen können.

So richtig Beachtung fanden seine Ergebnisse nicht. Aber er war ja "nur" ein Mönch in einem Kloster.

1869 entdeckt Friedrich Miescher in der Küche des Tübinger Schlosses in den Zellkernen weißer Blutkörperchen eine Substanz, die er Nucleinsäure nennt. Nucleus ist lateinisch für Zellkern.

1882 sieht Walter Fleming das erste Mal Chromosomen unter dem Mikroskop. Diese neuen Bestandteile der Zelle bekommen ihren Namen, weil sie sich so schön anfärben lassen - Chroma bedeutet nämlich Farbe.

1909 wird von Wilhelm Johannsen der Begriff "Gen" für eine Einheit der Vererbung eingeführt.

1910 forscht Thomas Morgans an der Fliege Drosophila melanogaster und entdeckt, dass Gene auf Chromosomen hintereinander angeordnet sind. Drosophila ist eine kleine Fruchtfliege und schon so recht fizzelig zum untersuchen. Aber man kann sie leicht züchten, sie haben kurze Generationswechsel und hat auch recht viele Exemplare dann zur Verfügung.

1931 beschreibt Phoebus Levène die DNA-Bausteine: Sie, die Nucleotide, sind jeweils aus dem Zucker Desoxyribose, einer Phosphatgruppe sowie einer der vier Basen Adenin, Thymin, Cytosin und Guanin zusammengesetzt.

Was jetzt allerdings ein Gen ausmacht weiss man immer noch nicht.

1940 vermuten Edward Tatum und George Beadle, dass ein Gen die Information für jeweils ein Enzym festlegt. Das war, wie wir heute wissen fast richtig, inzwischen weiss man, dass Enzyme bzw. Proteine nach ihrer Synthese noch modifiziert werden und dass bestimmte Enzyme erst funktionieren, wenn sie mit mehreren Proteinen einen Enzymkomplex bilden.

1944 gelingt dann Oswald Avery, Colin MacLeod und Maclyn McCarty der Nachweis, dass Nucleinsäuren, und nicht Proteine die genetische Information übertragen.
Das war damals nämlich noch unklar, denn man wusste, dass Proteine viel vielfältiger sind als die DNA. Und wie die "simple" DNA die Masse an Erbinformationen weitergeben soll war nicht klar.

Allerdings weiß man heute auch hier mehr: Es gibt epigenetische Faktoren, die, obwohl sie keine Gene sind, wie ererbte Eigenschaften auf den Betrachter wirken. Beispielsweise sind Klone genetisch identische Lebewesen, aber die Genaktivität (wann wird welches Gen abgelesen, wann und wo wird die genetische Information umgesetzt) ist unterschiedlich, da diese nicht von den Genen beeinflusst wird. Da hat das Umfeld in dem der Zellkern sich befindet seine Einflüsse

So ist die Klonkatze "Copycat", schlank und ihr ihr Fell ist grau und weiß gescheckt. die Originalkatze "Rainbow" war plump, goldbraun und weiß.

Fellmusterung bei mehrfarbigen Katzen oder auch die menschlichen Fingerabdrücke werden im Mutterleib festgelegt über Einflüsse wie die Lage in der Gebärmutter, Nährstoffversorgung oder Zellwanderung.

Erwin Chargaff weist 1949 nach, dass in der DNA die Basen Adenin und Thymin sowie Cytosin und Guanin jeweils im Verhältnis eins zu eins vorliegen. Das war ein Hinweis auf eine komplementäre Basenpaarung.

Rosalind Franklin und Maurice Wilkins machen 1951 erste Röntgenstrukturaufnahmen der DNA.

Im November 1951 hört Watson einen Vortrag von Rosalind Franklin über ihre Röntgenbeugungsaufnahmen der DNA. Sie sprach von einer möglichen Helixstruktur der DNA, die aus zwei, drei oder vier Ketten aufgebaut sein könnte. Das bringt Watson auf eine Idee.

1952 erbringt Rosalind Franklin Nachweis, dass der Zucker-Phosphat-Rücken der DNA an der Molekül-Aussenseite liegt.

Und 1953 entwerfen James Watson und Francis Crick mit Hilfe der Röntgenstrukturdaten von Franklin und Wilkins ein räumliches Modell der DNA-Doppelhelix.

Am 28. Februar 1953 basteln die beiden ihr 2m hohes DNA-Modell, was auch Maurice Wilkins und Rosalind Franklin überzeugt.

Sie schrieben das Manuskript, Watsons Schwester Elizabeth tippte es ab und Cricks Ehefrau Odile zeichnete ein einfaches Schema.

Die Zeit schien reif zu sein für die Aufklärung der DNA. Linus Pauling vom California Institute of Technology hatte schon ein dreistängiges Modell und auch Maurice Wilkins und Rosalind Franklin vom Kings College waren dran.

So richtig bedeutsam erschien der Befund damals nicht. Nur die britische Zeitung, "News Chronicle" berichtete im Mai 1953 über die DNA-Struktur.

Die "Neue Züricher Zeitung" berichtete 1956 in der Abendausgabe vom 10. Dezember 1956 über die DNA-Struktur, damls noch DRN (auch Desoxyribonukleinsäure).

1958 beweisen Matthew Meselson und Franklin Stahl die semikonservative Verdopplung der DNA. D.h. jeweils eine Hälfte des DNA Doppelstrangs dient als Vorlage.

Anfang 1960 schrieb der australische Immunologe Frank Macfarlane Burnet in einer medizinischen Fachzeitschrift, dass DNA und Molekularbiologie keine Auswirkungen auf die Medizin haben werden, denn das sei nur möglich, wenn man die DNA lesen könne.

1960 wurde die Watson-Crick-Arbeit in nicht einmal 5 Prozent der zur DNA-Forschung erschienenen Artikel erwähnt.

1961 isolieren Sydney Brenner, Francis Jacob und Matthew Meselson die Boten- oder messenger-RNA. Die mRNA ist der DNA ähnlich, aber sie besteht nur aus einem Strang und ist instabiler. Sie ist notwendig, um die genetische Information an den Ort der Proteinbiosynthese zu bringen. Die DNA hat zwar in ihrer Basenabfolge die Information für das Protein, aber sie kann aus dem Zellkern nicht raus, bzw. im Zellkern findet die Proteinsynthese nicht statt. Es wird also von der DNA bzw. dem Gen eine Kopie gemacht und als mRNA nach aussen geschafft. Die mRNA bringt die genetische Information aus dem Zellkern zum Ort der Proteinbiosynthese.

1962 erhalten James Watson, Francis Crick und Maurice Wilkins den Nobelpreis für Medizin/Physiologie. Rosalind Franklin starb 1958 im Alter von nur 37 Jahren an Gebärmutterkrebs blieb ohne Preis, da der Nobelpreis nicht posthum verliehen wird.

1965 entschlüsselt Marshall Nirenberg den genetischen Code: Jeweils drei Basen legen eine Aminosäure fest. Das war nun ein wirklicher Fortschritt. Man wusste damals, dass DNA aus den 4 Basen besteht und das Proteine aus Aminosäuren zusammengesetzt sind. Allerdings gibt es nur 4 Basenpaare und 20 Aminosäuren. Die Entdeckung das je drei Basen festlegen welche Aminosäure ins Protein kommt, löste dieses Problem. Wenn aber die Abfolge von drei Basen eine Aminosäure vorgeben, dann kommen bei 4 verschiedenen Basen 64 Möglichkeiten heraus (4x4x4=64). Die Lösung ist, dass einige Basenkombinationen für dieselben Aminosäuren kodieren. Und aufgrund dieser Mehrfachbelegungen sagt man der Code sei "degeneriert". Manche Aminosäuren werden durch bis zu 6 verschiedene Tripletts codiert; daneben gibt es Start- und Stopsignale für die Proteinsynthese.

Ab 1968 fing man an Kenntnisse über den molekularbiologischen Werkzeugkasten zu erlangen. Man konnte DNA mit bestimmten Enzymen schneiden, zusammenkleben etc.

1973 schleusen Stanley Cohen und Herbert Boyer fremde DNA in ein Bakterium ein. Damit beginnt die Gentechnik.

1975 wurde auf der Asilomar Konferenz die erste Sicherheitskonferenz zur neu kombinierter DNA veranstaltet.

1984 entdeckt Alec Jeffreys, dass bestimmte Abschnitte des menschlichen Genoms sich von Individuum zu Individuum unterscheiden. Diesen Unterschied macht man sich beim "Genetischen Fingerabdruck" zunutze.
Besonders hilfreich ist dabei die 1986 von Kary Mullis entwickelt die Polymerase-Kettenreaktion (PCR). Damit kann man einen DNA-Abschnitt fast beliebig oft kopieren. Das Verfahren ahmt im Reagenzglas mit technischen Mitteln und entsprechenden Enzymen die DNA-Verdopplung in der Zelle nach. Dadurch erhält man aus einer kleinen Menge DNA sehr viel identische DNA, die man dann einfacher analysieren kann. Deswegen reichen für den genetischen Fingerabdruck schon geringe DNA-Spuren aus.

1995 veröffentlichen Craig Venter, Claire Fraser und Hamilton Smith die erste vollständige Genomsequenz eines Organismus: des Bakteriums Haemophilus influenzae.

1997 ist die genetische Information eines Eukaryoten, der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae entziffert.

1998 hat man die genetische Information des ersten Vielzellers, des Nematoden Caenorhabditis elegans heraus. Caenorhabditis elegans ist ein kleiner Fadenwurm, den man normalerweise nicht besonders spannend findet. Aber Nematoden haben interessanterweise "Zellkonstanz". Jedes Tier hat immer gleich viele Zellen. Das macht das Tier zu einem Modellorganismus bei der Entwicklungsbiologie, denn man kann das entstehen des Wurm Zelle für Zelle nachvollziehen.

2000 ist dann das Genom der Pflanze Arabidopsis thaliana, und das von Drosophila melanogaster sequenziert.

2001 veröffentlichen die Zeitschriften Nature und Science die Sequenzen des menschlichen Genoms in der Version des internationalen Humangenomprojektes sowie die der Firma Celera Genomics.
Nachdem man beim Genom (Summe aller Gene eines Organismus) nun vieles weiß, ist man nun dabei das Proteom (Summe aller Proteine eines Organismus) und deren räumliches und zeitliches Auftreten und Wirken zu erforschen. Denn ein Schmetterling und seine Raupe haben die gleichen Gene, aber sind doch sehr unterschiedlich.

Die ältesten DNA-Spuren, die man entdeckte sind bis jetzt in 400.000 Jahre alten Pflanzenresten in Sibirien.

Der Weltrekord für alte tierische DNA liegt bei 50.000 Jahren für Mammut-DNA.

Übrigens: Das Modell das Watson und Crick gebaut hatten ging in den 50er Jahren vergessen und Einzelteile des zerlegten Modells landeten 1976 an der Universität Bristol..

Dort fand eine Mitarbeiterin des Londoner Science Museums die Teile, das Science Museum kaufte die Reste und der Doktorand Farooq Hussain, rekonstruierte das Modell, allerdings wurde es etwas größer als das Original.

Inzwischen steht Hussains Modellnachbau ausgestellt im Science Museum

 

 

 

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