Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Was den Menschen vom Fadenwurm unterscheidet

12.12.2002


Signale von außen beeinflussen die Dekodierungsmechanismen der DNA - im Forschungszentrum Karlsruhe erstmals Übertragungskette aufgeklärt



Nur ein Faktor zwei trennt den Menschen vom Fadenwurm, wenn man die Anzahl der Gene betrachtet. Um die deutlich größere Komplexität zu erzielen, bedient sich die Natur eines genetischen Tricks: Gensequenzen können während ihrer Dekodierung verschieden zusammengefasst werden und damit unterschiedliche Proteine erzeugen. Wissenschaftler des Forschungszentrums Karlsruhe konnten nun erstmals zeigen, wie dieser Mechanismus im Zellkern durch Signale von außerhalb der Zelle beeinflusst werden kann. Die wissenschaftlichen Ergebnisse werden am 12. Dezember 2002 von der englischen Fachzeitschrift "Nature" publiziert.



Eine der größten Überraschungen bei der Aufklärung des menschlichen Erbgutes war der Befund, dass es nur etwa doppelt so viele Gene enthält wie das Erbgut eines primitiven Fadenwurms. Die hohe biologische Komplexität des Menschen wird durch zelluläre Mechanismen erklärt, mit denen aus einem einzigen Gen unterschiedliche Proteine (Eiweiße) hergestellt werden können. Der bei weitem häufigste dieser Mechanismen - genannt "Alternatives Spleißen" - beruht darauf, dass auf der DNA die Information zur Herstellung eines Proteins in kleinen Stücken (Exons) abgelegt ist, die durch lange Bereiche ohne Information (Introns) getrennt sind.

Die Übersetzung der genetischen Informationen in Proteine geschieht durch ein Botenmolekül (mRNA = Messenger-RNA). Zum Aufbau dieses Botenmoleküls werden aus einem Vorläuferbotenmolekül die Introns durch biochemische Abläufe herausgeschnitten und nur noch die Exons aneinander gehängt. Der Mechanismus heißt "Spleißen"; das Ergebnis sind fertige Kodes für Proteine, die Vorgänge in Organismen steuern.

Für die Exons gibt es nun verschiedene Kombinationsmöglichkeiten: So können Exons vorne oder hinten an das Botenmolekül angehängt, es können aber auch Exons aus der Mitte der Gensequenz ausgelassen werden. Dies wird als Alternatives Spleißen bezeichnet. Nach derzeitigen Schätzungen spielt Alternatives Spleißen bei der Herstellung von Proteinen von mehr als 50 % aller menschlichen Gene eine Rolle. Der Mechanismus ist nicht nur bei der normalen Entwicklung von Organismen entscheidend, sondern - wenn er zur falschen Zeit oder in der falschen Zelle abläuft - auch bei der Entstehung menschlicher Krankheiten wie Krebs. Die Herstellung verschiedener Spleißformen für Proteine erfordert deshalb eine zeitliche und räumliche Kontrolle durch Signalstoffe aus der Zellumgebung. Wissenschaftler des Forschungszentrums Karlsruhe konnten nun erstmals zeigen, wie solche Signalstoffe Alternatives Spleißen steuern.

"Wir haben festgestellt, dass es in der Zelle Übertragungswege gibt, die - ausgelöst durch ein Signal von außen - kontrollieren, welche Exons zu einer Sequenz für das Botenmolekül zusammengebunden werden", erläutern Dr. Nathalie Matter und Dr. Harald König, Wissenschaftler am Institut für Toxikologie und Genetik des Forschungszentrums Karlsruhe. "Auf molekularer Ebene fanden wir, dass ein ganz zentraler Übertragungsweg durch chemische Veränderungen die Aktivität eines Eiweißes steuert, das an Exonbereiche in Botenmolekülen binden und diese auswählen kann."

Die Hoffnung der Wissenschaftler ist nun, über solche Mechanismen neue Erkenntnisse einerseits über die Embryonalentwicklung, andererseits über die Entstehung von neurodegenerativen Erkrankungen (z. B. bestimmte Formen der Alzheimerschen Krankheit) oder von Krebs zu erhalten.

Die Ergebnisse wurden von der englischen Fachzeitschrift "Nature", Volume 420, am 12. Dezember 2002 veröffentlicht.

Wissenschaftliche Vertiefung

Während der Reifung eines Vorläufer-Botenmoleküls (prä-mRNA) zum funktionellen Botenmolekül (mRNA) müssen die Introns aus der Sequenz herausgeschnitten und zu einer zusammenhängenden, proteinkodierenden RNA-Sequenz zusammengefügt werden. Durch Alternatives Spleißen können aus einer Gen-Sequenz unterschiedliche mRNA und damit Proteine hergestellt werden. Ziel der Arbeiten war die Erforschung der Signalrouten innerhalb der Zelle, mit der außerhalb der Zelle anliegende Signale die Herstellung verschiedener Proteine anregen.

Als Modell diente das Gen CD44. Es kodiert ein Zelloberflächen-Molekül, von dem verschiedene Varianten existieren. Für die unterschiedlichen Varianten des Oberflächenmoleküls kommen bis zu zehn nebeneinander liegende Exon-Sequenzen in verschiedenen Kombinationen zum Einsatz. Die Varianten sind bei der Embryonalentwicklung, bei der Immunantwort und bei der Bildung vieler bösartiger Tumore von entscheidender Bedeutung.

Zunächst wurde für einen in allen Lebewesen (außer Bakterien) vorkommenden Signalweg (der so genannte MAP-Kinase-Weg) gefunden, dass er über Signalstoffe die Ausprägung verschiedener mRNA aus der selben Gensequenz regulieren kann. Dies wird über ein Produkt des "ras"-Krebsgenes kontrolliert, eines zentralen Signalmoleküls der Zelle, welches in vielen Tumoren unkontrolliert aktiv ist. Darüber hinaus wurde ein Eiweiß (Sam68) identifiziert, das an eine variante Exonsequenz im Vorläufer-Botenmolekül des CD44-Gens bindet und das über den MAP-Kinase-Weg angesteuert und chemisch verändert (phosphoryliert) werden kann. Diese chemische Veränderung ist entscheidend dafür, ob die Exon-Sequenz in der mRNA eingesetzt wird oder inaktiv bleibt.


Das Forschungszentrum Karlsruhe ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, die mit ihren 15 Forschungszentren und einem Jahresbudget von rund 2,1 Milliarden Euro die größte Wissenschaftsorganisation Deutschlands ist. Die insgesamt 24 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter der Helmholtz-Gemeinschaft forschen in den Bereichen Struktur der Materie, Erde und Umwelt, Verkehr und Weltraum, Gesundheit, Energie sowie Schlüsseltechnologien.


Rückfragen bitte unter Telefon 07247/82-2861.

Inge Arnold | idw

Weitere Berichte zu: Botenmolekül Exon Fadenwurm Gen Protein Spleißen Zelle

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Akute Myeloische Leukämie: Ulmer erforschen bisher unbekannten Mechanismus der Blutkrebsentstehung
26.04.2017 | Universität Ulm

nachricht Zusammenhang zwischen Immunsystem, Hirnstruktur und Gedächtnis entdeckt
26.04.2017 | Universität Basel

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Im Focus: Leichtbau serientauglich machen

Immer mehr Autobauer setzen auf Karosserieteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Dennoch müssen Fertigungs- und Reparaturkosten weiter gesenkt werden, um CFK kostengünstig nutzbar zu machen. Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) hat daher zusammen mit der Volkswagen AG und fünf weiteren Partnern im Projekt HolQueSt 3D Laserprozesse zum automatisierten Besäumen, Bohren und Reparieren von dreidimensionalen Bauteilen entwickelt.

Automatisiert ablaufende Bearbeitungsprozesse sind die Grundlage, um CFK-Bauteile endgültig in die Serienproduktion zu bringen. Ausgerichtet an einem...

Im Focus: Making lightweight construction suitable for series production

More and more automobile companies are focusing on body parts made of carbon fiber reinforced plastics (CFRP). However, manufacturing and repair costs must be further reduced in order to make CFRP more economical in use. Together with the Volkswagen AG and five other partners in the project HolQueSt 3D, the Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) has developed laser processes for the automatic trimming, drilling and repair of three-dimensional components.

Automated manufacturing processes are the basis for ultimately establishing the series production of CFRP components. In the project HolQueSt 3D, the LZH has...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Ballungsräume Europas

26.04.2017 | Veranstaltungen

200 Weltneuheiten beim Innovationstag Mittelstand in Berlin

26.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Wie digitale Technik die Patientenversorgung verändert

26.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Akute Myeloische Leukämie: Ulmer erforschen bisher unbekannten Mechanismus der Blutkrebsentstehung

26.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Naturkatastrophen kosten Winzer jährlich Milliarden

26.04.2017 | Interdisziplinäre Forschung

Zusammenhang zwischen Immunsystem, Hirnstruktur und Gedächtnis entdeckt

26.04.2017 | Biowissenschaften Chemie