CRISPR, Genome-Engineering und genmanipulierte Embryos: Spiel mit dem Erbgut?

Da haben also in China Wissenschaftler menschliche Embryonen genetisch verändert. Und zwar einfach weil sie es können. Okay, okay, sie haben versucht, β- Thalassämie, eine Blutkrankheit, zu heilen, indem sie das in dieser Krankheit mutierte Gen verändern wollten. Das hat nicht sooo gut funktioniert. Und außerdem haben sie noch andere Stellen in der DNA mitverändert. Versehentlich.

Die Methode mit der sie gearbeitet haben heißt „CRISPR/Cas“. Und mit eben dieser CRISPR/Cas-Methode habe ich auch gearbeitet.

Was ist CRISPR/Cas?

CRISPR ist eigentlich eine Art erworbene Immunantwort von Bakterien. Bakterien können, wie andere Zellen auch, von Viren infiziert werden (sie heißen dort Phagen). Und wie wir schon gelernt haben sind Viren nichts anderes als Nanomaschinen des Todes – äh – nein, Moment, in erster Linie sind sie einfach Erbgut-Lieferanten. Sie schleusen ihr eigenes Erbgut in andere Zellen ein und übernehmen sie so quasi. Die Zellen überleben das meistens nicht und so ist es gut, wenn ein Lebewesen das eben nur aus einer Zelle besteht, sich dagegen wehren kann. Und genau das ist CRISPR. Es ist ein bakteriellen System welches virale DNA erkennt und eliminiert. Sie merkt sich die fremde DNA indem sie sie in ihrem eigenen Erbgut speichert. So kann sie das Gegenstück (als RNA) produzieren. Wer sich an die Struktur der DNA erinnert, weiß, dass es sich die DNA mit einem Spiegelbild verbinden kann. Wir nennen das rückwärts komplimentär. Aber ich finde Spiegelbild ganz gut. Die gespeicherte virale DNA baut also ein Spiegelbild zu der echten viralen DNA. Und wenn diese virale DNA in die Zelle kommt bindet das Spiegelbild daran. Sogenannte Endonukleasen können DNA „zerstückeln“ und unschädlich machen. Diese molekularen Scheren heißen Cas und sind an das Spiegelbild der viralen DNA gebunden. Sie zerstückeln ganz schnell die fremde DNA. So wird diese unschädlich.

Virale DNA und Bakterien

So sieht das CRISPR/Cas-Prinzip in den Bakterien aus: Virale DNA wird von CRISPR zerstückelt und im Genom gespeichert. Kommt erneut eine solche virale DNA in das Bakterium, bindet das Spiegelbild der viralen DNA an die neue virale DNA. Das Enzym Cas zerstückelt dann diese DNA und macht sie unschädlich.

Wie nutzt man CRISPR/Cas bei der Genomeditierung

CRISPR/Cas in der menschlichen Zelle.

In der menschlichen Zelle bindet Cas an die DNA, auf die man sie programmiert hat (sie trägt dazu ein Stück RNA mit sich). Sie zerschneidet an dieser Stelle die DNA im Erbgut. Dort kann man nun neue Information platzieren.

Das spannende an CRISPR ist, dass es eine bestimmte Sequenz im Erbgut erkennt und das Cas hier dann einen Schnitt setzt und den DNA-Strang trennt. In Säugerzellen können solche Schnitte in der DNA (man sagt auch DNA-Bruch), repariert werden. Dabei geschehen oft Fehler. Es wird Information entfernt oder Unsinns-Information eingefügt. Das verändert das Gen an dieser Stelle und kann es auch ganz ausschalten indem es zu einer Unsinnskorrektur kommt. Man kann aber auch eine Korrekturvorlage mitgeben. Die Reperaturwerkzeuge unserer Zellen können nämlich Vorlagen einbauen. So kann man theoretisch einen Teil des genetischen Information nicht nur Löschen sondern auch verändern. Welche Mechanismen es gibt habe ich in dem Schaubild unten aufgeführt. Nach einem Schnitt in der DNA kann erstens einfach mal gar nichts passieren – wenn alles korrekt repariert wird. Oder die Änderung ist sehr geringfügig. Die Information bleibt zum Großteil erhalten und kann sogar noch vollständig sein. Oft wird ein Teil der Information entfernt und ist dann weg. Da die restliche Information immer in Dreierpäckchen gelesen wird, kann die Information verloren gehen. Jetzt kann man der Zelle aber auch eine Vorlage geben die eingebaut wird und die Stelle in der genetischen Information ersetzt.

 

Was haben die chinesischen Forscher gemacht?

Die Forscher wollten Erbgutinformation verändern, welche defekt war. Sie wollten also ein falsches Gen mit einem richtigen Gen ersetzen und dabei eine kleine Stelle ersetzen. Dazu nahmen sie Embryonen – die nicht überlebensfähig waren – und ersetzten dort Stellen in einem Gen für eine Blutkrankheit. Die Ergebnisse sind nicht berauschend. Nur vier der 28 Embryonen trugen die Veränderung in sich. Dafür wurden diese Veränderungen auch in anderen Genen sichtbar. Nämlich solche, welche dem eigentlichen Ziel sehr ähnlich waren. Wir sprechen von Off-Target-Effects, also „Am-Ziel-Vorbei-Effekten“.

 

Was haben die Forscher falsch gemacht?

Die CRISPR/Cas-Veränderungen können auch in DNA-Stücken auftreten, die der eigentlichen Ziel-DNA sehr ähnlich ist. Meine erste, rein wissenschaftliche Reaktion war: „Not Shit, Sherlock!“.

Warum? Über die Seiteneffekte von CRISPR/Cas war relativ schnell sehr viel bekannt. Das sogenannte spezifische System ist eben nicht so spezifisch. Mittlerweile gibt es jedoch einige Verbesserungsideen, welche die chinesischen Forscher außer Acht lassen.

Informations-Editierung

Zur Verdeutlichung habe ich die Erbgutinformation als Satz dargestellt. Das Cas-Enzym verursacht einen Schnitt. Beim Reparieren der DNA muss weitere DNA entfernt werden, daher fehlen einige Buchstaben. In manchen Fällen kann die Zelle die richtige Information wiederherstellen. Manchmal geschehen nur kleine Fehler die nicht unbedingt eine Auswirkung haben müssen. Aber des Öfteren entseht Unsinn und das gesamte Gen ist defekt (ausgeschaltet). Um ein Gen zu reparieren kann man auch neue Information dort einfügen wo geschnitten wird.

So verwenden sie ein Enzym, welches genau einen Schnitt durch nur eine DNA-Stelle macht. Es gibt aber auch ein System, bei dem man nur einen halben Schnitt durch nur zwei verschiedene, nah aneinanderliegende DNA-Stücke macht. Durch die Nähe der beiden Einschnitte entsteht eine Sollbruchstelle. Diese Methode ist spezifischer, da zwei verschiedene Punkte gefunden werden müssen. Bindet man mit diesem System nur an eine Stelle entsteht nämlich keine Sollbruchstelle. Wieso hat man also nicht diese spezifischere Methode benutzt?

Zusätzlich kann man natürlich versuchen Stellen zu nehmen, die möglichst nur einmal im Genom vorkommen. Da ist man natürlich ein wenig eingeschränkt, denn es wurden auch  Stellen verändert, die nur ähnlich waren. Die Methode ist also einfach nicht sehr genau.

Die Forscher nehmen zur Probe eine embryonale Zelllinie. Dies sind keine Embryonen, sie sind nur aus (relativ alten) Embryonen entstanden. Es wäre eine gute Idee gewesen, in dieser Zelllinie erstmal Off-Target-Effects zu schauen. Und in der Tat gibt es genug Literatur über Off-Target-Effects.

 

Kommentar und ethische Bedenken

Menschliche Embryonen wurden also einer unausgereiften Methode unterzogen wurden obwohl es bereits ausgereiftere Methoden gibt. Das ist – in meinen Augen – grober Unfug. Ich glaube, menschliche Embryonen zu nehmen sollte nur ein Aufhänger sein, um in einem höheren Journal zu publizieren. Diese haben das Paper aber aus ethischen Gründen abgelehnt. Wirklich nur deshalb? Ich glaube nicht. Weder sind die angewandten Methoden neu noch bieten sich damit neue Ansatzpunkte für weitere Forscher. Ob man nun das Erbgut eines menschlichen oder eines mäuslichen Embryos verändert ist den Zellen und der CRISPR/Cas Methode im Großen und Ganzen egal. Die Forscher begründen es damit, dass die DNA-Reparatur in Embryonen kaum erforscht ist. Aber selbst tun sie es eigentlich in ihrem Paper auch nicht.

Die verwenden Embryonen sind nicht vermehrungsfähig. Das ändert nichts daran, dass sie Embryonen sind und dass das Erbgut darin menschlich ist. Aber warum sind sie nicht vermehrungsfähig? Sie stammen aus künstlichen Befruchtungen. Bei einer künstlichen Befruchtung wird das Erbgut aus dem Sperma des Vaters in die Eizelle der Mutter eingeschleust. Dann sieht man zwei Pronuklei, also zwei vorläufige Zellkerne (eine von der Mutter und einen vom Vater) die später zu einem werden. Da die Technik manuell durchgeführt wird, entstehen aber Fehler. Manchmal können sich aber (zum Beispiel durch die Injektionsnadel) drei Pronuklei bilden. Die drei Pronuklei kann man unter dem Mikroskop erkennen. Diese Zellen haben eine sehr geringe Chance, sich weiter zu entwickeln und gelten daher bei der künstlichen Befruchtung als Ausschuss.

Wie man die Verwendung dieser Embryonen jetzt findet kann jeder selbst entscheiden. Fakt ist: Die Technologie ist da. Sie wird genutzt werden, wenn nicht in Deutschland dann eben in China und anderen Ländern, in denen Embryonenforschung betrieben wird. Die Aussichten sind klar: Könnten wir bereits bei der künstlichen Befruchtung Krankheiten verhindern indem wir Gene ändern, können wir für Menschen die Träger für eine bestimmte Krankheit sind gesunden Nachwuchs erzeugen. Das System ist aber stark limitiert. Kinder nach Design zu bestellen, würde bedeuten, dass diverse Gene verändert werden müssten. Meines Erachtens lohnt sich ein solcher Eingriff also nur, wenn ein ganz bestimmtes Gen verändert werden muss. Ist mehr als ein Gen betroffen wird das alles viel schwieriger.

 

Fazit

Es ist nicht neu das am menschlichen Erbgut editiert wurde. Das machen die meisten Biologen tagtäglich in Zelllinien. Es ist auch nicht neu, dass bei menschlichen Zellen Gene verändert wurden. Es ist neu, dass diese Zellen Embryonen sind und die Methode CRISPR/Cas heißt. Leider ist es schändlich, dass man mit einer noch unausgereiften Technologie daran gearbeitet hat, anstatt eine schon existente, spezifischere zu verwenden. Im Vergleich ist es vielleicht weniger fragwürdig, dass nicht lebensfähige Embryonen verwendet wurden. Die ethische Debatte sollte erst einmal unaufgeregt geführt werden. Denn bis jetzt wurde nur gezeigt, dass es im Prinzip funktioniert, dass aber erwartbare Probleme aufgetreten sind. Das ist nicht überraschend. „Im Prinzip“ funktioniert so einiges. Bis zu einer genetischen Heilung von Embryonen wird noch viel Zeit vergehen. Es könnte einfacher sein, Embryonen zu selektieren, als sie künstlich zu verändern. Wenn man denn will.

„Ich mach dann mal schnell meinen Doktor!“

Axel Meyer schreibt, wir Doktoranden in Deutschland hätten es gut. Längere Verträge? Papperlapapp! Wir haben ja sowieso nichts zu tun. Axel Meyer weiß es, denn er hat in Berkeley, Harvard und Stony Brook studiert. Aber – sehr offensichtlich – nicht in Deutschland.

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Doktor werden ist doch ein „Piece of Cake“ – oder? In Deutschland zumindest, findet Axel Meyer.

Soviel zu meiner polemischen Zusammenfassung. Jetzt komme ich. Ich habe übrigens in Heidelberg studiert und promoviere dort gerade. Ich habe außerdem in Amerika gelebt, zum Teil in UK studiert und in Harvard (MGH) gearbeitet.

Vorweg: Ich bin 28 und war die zweitjüngste Masterabsolventin meines Jahrgangs. Die einzig jüngere war eine Freundin von mir aus Thüringen, wo seit jeher G8 praktiziert wird. Ich verlor durch meinen Aufenthalt in den USA während meines Masterstudium etwa vier Monate und werde bald nur knapp über 4 Jahren Promoviert haben. Von Beginn an bis zum Doktorhut. Man merke sich: Zwischen Beginn der Schreibphase über die Abgabe hinweg und der darauffolgenden Prüfung vergehen schnell sechs Monate, mitunter mehr.

 

Der Vergleich Amerika und Deutschland

Herr Meyer sagt, in Amerika wird 5-6 Jahre promoviert. In Deutschland sind es nur 3-4. Das stimmt. Er erwähnt, dass man in den USA bereits mit einem Bachelor promovieren kann und dass es dann eben „etwas länger“ dauert den Doktoranden einzuarbeiten.  Das dauert in der Regel eineinhalb bis zwei Jahre – genauso lange wie ein Master in Deutschland. Die phD-Kurse, auch in Berkeley, beginnen oft noch mit Grundlagenkursen. Oft genug ist darin auch ein Master Titel integriert.

Deutschland und Amerika hier zu vergleichen ist schwierig und beide Systeme über einen Kamm zu scheren fatal. Die Ausbildung in Deutschland dauert sehr lange. Mit einem Doktortitel beworben wird sich auch bei den schnellsten derzeit erst mit Ende 20, meistens eher Anfang 30. Das Bildungssystem macht’s möglich. Vor G8 kamen Schüler mit 19, manchmal sogar schon 20 aus dem Abitur. Dann wurde 5-6 Jahre ein Diplom gemacht. Dann ist man, sagen wir mal, 25. Und dann noch Doktorieren für 3-4 Jahre?

In den USA – und auch in UK – ist das anders. Hier sind viele Schüler erst 17-18 wenn sie ihre Hochschulreife bekommen. Sie machen dann in 4 Jahren College teilweise das, was in Deutschland bereits in der Oberstufe gelehrt wird (zum Vergleich: ich war in den USA jünger als die meisten 10.-Klässerrinnen aber belegte die Collegevorbereitungskursen die an der Schule angeboten wurden). Die meisten Collegeabsolventen reicht ihr Collegeabschluss zu einem guten Verdienst (das ist in Deutschland aber _eigentlich_ „nur“ ein Vordiplom). Nur wer an einer wissenschaftlichen Karriere interessiert ist macht weiter mit einem Master oder gar einem phD. Genau deshalb sind die Positionen dort auch darauf ausgelegt, weiter in der Wissenschaft zu bleiben. Wenn man schnell ist hat man so einen phD vielleicht schon mit 26.

Was man noch dazu sagen könnte ist, dass in Deutschland der Doktortitel benotet wird. Da gibt es Summa cum Laude, die beste Note, die nur vergeben wird wenn man wirklich außergewöhnlich gute Arbeit geleistet und beispielsweise einen wissenschaftlichen Artikel als Erstautor veröffentlich hat. Dann gibt es Magna cum Laude, für eine sehr gute Arbeit und cum Laude für eine gute Arbeit. Und Rite für „bestanden“. In Amerika ist das alles ziemlich egal. Ein phD ist ein phD ist ein phD.

 

Wissenschaftliche Karrieren

All diese Informationen scheinen Herrn Meyer zu fehlen. Das ist schade, denn das Deutsche Doktorandensystem gehört dringend reformiert:

  1. Die meisten deutschen Doktoranden streben keine wissenschaftlichen Karrieren an weil es nämlich kaum welche gibt.
  2. Die meisten deutschen Doktoranden machen einen Doktor um sich beruflich weiter zu qualifizieren weil viele Firmen gerne einen promovierten Laborleiter/Projektmanager/Kundenberater haben.

 

Zu 1. Wissenschaftliche Karrieren sind schwierig. Man hangelt sich von Zeitvertrag zu Zeitvertrag. Dafür hat man nach seinem Doktor 12 Jahre Zeit, abzüglich der Promotionsdauer, um irgendwie an eine Festanstellung zu kommen. Und dann muss man immer noch Professor werden. Aber Forschungserfolg ist auch für brilliante Forscher nicht planbar. Wir forschen ja nicht, weil wir wissen was passieren wird. Wo man seine befristeten Stellen erhält ist immer wieder fraglich. Vielleicht muss man umziehen, vielleicht sucht man lange vergeblich nach einer neuen Beschäftigung. Jetzt rechnen wir mal: Der Doktor bekam mit 29 seinen Abschluss. Er hätte dann vielleicht 8 Jahre Zeit, eine Festanstellung zu finden. Nach Adam Riese wäre er dann mindestens 37. Aber vielleicht möchte der Doktor ja Kinder? Ich spreche hier von Frauen und Männern gleichzeitig. Die Frau müsste mindestens ein paar Monate aussetzen und einen Mann haben der da mitspielt. Der Mann müsste irgendwie eine Familie finanzieren und eine Frau finden die es unterstützt, dass die familiär-finanzielle Situation vielleicht 12 Jahre unsicher bleibt. Und selbst wenn man keine Familie will, keinen Partner will: Will man es riskieren, nach 12 Jahren harter Arbeit doch keine Entfristung und keine Professur zu bekommen? Kann man mit der ewigen Unsicherheit leben? Für einen Lohn, über den Kollegen in der Industrie nur müde lächeln?

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Verlieren Deutschlands klügste Köpfe den Kopf im Kampf um den Doktorhut?

In Amerika hat man begonnen, dieses Problem mit dem Tenure Track zu lösen, einem System, dass einem die Anstellung als Professor nach einer bestimmten Zeit garantiert. Das haben wir in Deutschland nicht.

Zu 2. Viele Deutsche Firmen in der Bio-Szene wollen auf den Doktor nicht verzichten. Es ist zum einen Prestige. Aber nicht ganz. Ich wählte drei typische Positionen für Berufseinsteiger nach dem Doktorgrad aus.

Ein Laborleiter sollte natürlich wissen wie ein Labor so funktioniert. Nur weil man die Uni nicht in die Luft gesprengt hat, heißt das nicht dass man ein Labor führen kann. Man muss sich Methoden selbst aneignen können, man muss Versuche planen können. Bachelor und Master sollten dies eigentlich vermitteln, doch blieb man meistens dem alten, diplomantischen Lehrplan treu. Und selbst wenn: In der Industrie ist das nicht durchgesickert.

Projektmanager für Vertrieb oder Forschung sollten sich damit auskennen, was ihre Mitarbeiter so tun. Sie sollten Arbeitsabläufe kennen und von allen Seiten betrachten können um Zeit und Geld planen zu können die benötigt wird. Das ist für Doktoranden deutlich einfacher, denn sie haben sich 3 oder 4 Jahre intensiv mit einer Technik auseinander gesetzt.

Und zu guter Letzt die Frau oder der Herr [InsertBioFirmhere], wie wir sie im Laborjargon nennen. Ja, die habe ich des Öfteren in meiner Forschungszeit angerufen. „Hallo, die Maschine geht nicht.“ Es ist gut, wenn man jemanden hat der sich auskennt und der dasselbe hinter sich hat. Der weiß wie Forschung funktioniert. Deswegen werden hier oft und gerne Berufseinsteiger gewählt.

 

Deswegen gibt es in Deutschland so viele Doktoranden. Weil man in Deutschland dieses Kürzel vorm Namen benötigt.

 

Wie es so ist ein Doktorand zu sein

Herr Meyer macht noch auf etwas aufmerksam. Und zwar, dass Doktoranden in Deutschland viel weniger Lehre leisten als in den USA. Das ist vielleicht sogar teilweise richtig, zumindest in den Life Sciences. Nur sollte man dann auch erwähnen, dass es in den USA andere Laborverhältnisse gibt als hier. Es gibt dort die Position des Senior Scientists, einem quasi-Dauer-Post Doc. Sie forschen und das schon seit Jahren und haben daher viel Erfahrung im Umgang mit Methoden, Geräten, in der Planung von Experimenten und von der Literatur. In Deutschland gehen Doktoranden nach drei Jahren und nehmen ihre Erkenntnisse mit. Manche machen aus Verlegenheit noch einen PostDoc, meistens um sich weiter zu qualifizieren. Außerdem (und hier weiß ich nicht ob es generell so ist) gab es Lab Manager, die sich um die ganze Bürokratie kümmerten. In jedem deutschen Labor in dem ich war haben wir uns selbst darum gekümmert wenn neue Geräte oder Praktikanten kamen. Dazu kommen auch oft Reinigung von Geräten, Abfertigung und Abholung von Bestellungen und Betreuung von Praktikanten, jüngeren Doktoranden und Bachelor-/Masterarbeiten. Und das ist kein Rumgejammer, das frisst mehr Zeit als man denkt.

 

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Als Doktorand kann man sich nicht zurücklehnen. Aber immerhin dreht sich der Stuhl.

Nun zur der Befristung: Sicherlich ist es gut, Förderungsverträge für die tatsächliche Promotionslänge zu veranschlagen. Und zwar von Anfang an. Momentan sind es nicht drei Jahre sondern oft nur ein oder zwei. Ich hatte großes Glück und mein Arbeitsgeber vergibt Dreijahresverträge. Das ist aber mehr die Ausnahme als die Regel. Eine Freundin von mir bekam nach nur zwei Jahren keine Förderung mehr und promoviert nun fleißig auf Hartz IV. Hartz IV? Genau, denn oft sind die Verträge eigentlich Stipendien, die keine Abgaben für Renten- Arbeitslosigkeits-, Sozial- oder Krankenversicherung vorsehen. So ist auch eine indische Freundin von mir nun auf das Doktorandeneinkommen ihres Freundes angewiesen, da sie nach ihrer Promotion überhaupt kein Geld mehr erhält. Und ich kenne noch weitere Schauergeschichten.

Eine längere Vertragslaufzeit würde auch den Professoren helfen, denn die sind es ja, die die Mittel einwerben. Das würde diverse Anträge einsparen.

 

Jetzt erfahre ich gerade, dass der werte Herr Meyer auch nicht unbedingt eine persilgewaschene Weste trägt und denke, ich sollte wohl zum Ende kommen. Ich fasse es mal zusammen:

Um Wissenschaftler zu fördern sind längere Verträge – also sind überhaupt drei Jahre schon sehr gut. Besser wären vier. Und am besten sind es auch wirkliche Verträge, wie es sich gehört. Und es sollte bessere Bedingungen geben, mit denen man aus seinem Doktor heraus in Deutschland eine Professur anstreben kann. Wie zum Beispiel den Tenure Track. Und entfristete Stellen von Wissenschaftlern im Labor, die die Techniken der Doktoranden bewahren. Das kostet Geld. Das könnte man sparen indem man weniger Doktorandenstellen anbietet und einen Anreiz für Bachelor- und Masterabsolventen schafft, direkt in die Industrie zu gehen. Eventuell indem man die Studiengänge praxisorientierter aufbaut.

Bis das bei uns so ist, sind Vergleiche mit dem US-amerikanischen System sinnfrei.

Ey, Seneszenz, Alter!

DNA-Schäden führen dazu dass unsere Zellen entweder sterben oder mutieren und dann Krebs auslösen. Habt ihr geglaubt. Hab ich auch das Studium über geglaubt. Etwas unbekannter ist, das unsere Zellen auch zu Schläferzellen (Oh hai, NSA!) werden können – die aber nie mehr aufwachen (außer man manipuliert daran rum). Diesen Vorgang nennt man zelluläre Seneszenz.

Nach starken DNA-Schäden werden Zellen mitunter seneszent. Weshalb sie nicht sterben sondern seneszent werden weiß man noch nicht so genau. Vielleicht liegt es an der Menge von Schaden, an der Art oder an etwas ganz anderem. Fakt ist: Zellen werden seneszent und sie verbleiben bei uns im Körper für eine ganze Weile. Seneszente Zellen sind viel größer als normale Zellen, sie leben aber teilen sich nicht, auch wenn sie von außen dazu angeregt werden. Sie produzieren einen bestimmten Cocktail an Botenstoffen, den man Seneszenz-Assoziierten Sekretorischen Phänotyp nennt. Sie zeigen auch eine erhöhte Aktivität der Lysosomen, der zelleigenen Müllhalden, die Proteine in ihre Einzelteile zerlegen. Dann wickeln sie Teile ihrer DNA noch sehr stark auf, so dass sie zu Heterochromatin wird. Sehr eng aufgedrillte DNA geht mit einer Unterdrückung der Gen-Ablese-Aktivität einher, also der Transkription, es werden also einige Proteine nicht mehr produziert. Wie als sei der Bauplan einer zu bestimmten Dingen plötzlich unzugänglich. Man geht davon aus, dass die seneszenten Zellen so die Produktion der Proteine verhindern die zur Zellteilung führen würden.

Das Ganze hat Vor- und Nachteile.

Die Vorteile liegen erstmal darin dass eine seneszente Zelle die Integrität des Gewebes um sie herum unterstützt. Sie fehlt nicht einfach und muss ersetzt werden. Sie signalisieren auch dass dort wo sie sind gerade ein Problem ist und locken so Immunzellen an. Aber der programmierte Zelltod ist ein sehr durchdachter Prozess und gestorbene Zellen können sehr einfach ersetzt werden. Seneszente Zellen produzieren Botenstoffe, die auf eine Entzündung hinweisen. Dazu gehören zum Beispiel Tumor-Nekrose-Faktor Alpha und Interleukin-6. Beide dieser Faktoren können andere, gesunde Zellen ebenso seneszent machen. Das wäre gut, wenn ein gesamtes Gewebe DNA-Schaden ausgesetzt war und so die Seneszenz auf andere Zellen überspringt, die diesen vielleicht nicht bemerkt oder falsch repariert haben. Quasi eine Art Sammelstrafe. Das könnte einer der Gründe sein, weswegen man seneszente Zellen häufig in gutartigem Hautkrebs findet.

Sie können aber auch zu anhaltenden Entzündungsreaktionen führen. Entzündungen im Körper sind auf Dauer immer schlecht. Sie können zu allem möglichen führen: Vaskuläre Erkrankungen wie Atherosklerose sind im Grunde Entzündungsreaktionen. Auch Krebskrankheiten werden durch unkontrollierte Entzündungsprozesse gefördert. Und ja, das widerspricht sich mit dem was ich oben gesagt habe!

Man hat die zelluläre Sensezenz bereits vor über 50 Jahren entdeckt. Damals glaubte man noch, es sei ein Effekt der nur im Labor zu sehen sei, nämlich wenn man Zellen aus Patientenproben in einer Petrischale aussäte und diese Zellen nach einiger Zeit das Wachstum einstellten. Das Problem war schnell erkannt: Die Telomere, die Enden der DNA, wurden zu kurz und wurden von den Zellen plötzlich als DNA-Schaden erkannt. Da die Telomere bei jeder Zellteilung etwas kürzer werden sind unsere Zellen also in der Anzahl ihrer Zellteilungen limitiert (allerdings sind sie für ein Menschenleben absolut ausreichend – euch gehen nicht einfach die Telomere aus). Das ist gut so, denn so können Zellen die sich zu schnell oder zu oft teilen (die Vorläufer von Krebszellen) gestoppt werden. Auch über die Zeit akquirierte Mutationen können nicht unendlich oft weitergegeben werden.

Dass seneszente Zellen auch ganz normal im Körper vorkommen und dass sie auch anders entstehen können, weiß man noch nicht so lange. Aber man vermutet, dass die Entzündungsreaktionen die sie verursachen einer der Gründe sind, weshalb wir altern. Seneszente Zellen akkumulieren im Alter immer mehr. In jungen Menschen sind sie quasi nicht zu finden. Das liegt wahrscheinlich daran, dass seneszente Zellen normalerweise irgendwann vom Immunsystem abgebaut werden und dies in älteren Menschen nicht mehr so gut funktioniert.

Alterung werden viele von uns als normal erachten. Man wächst heran, wird geschlechtsreif, vermehrt sich, altert und stirbt. Aber Alterung ist eben auch nur ein physiologischer Prozess, der uns allerdings krank macht. Wäre es nicht besser die Alterung an sich zu unterbinden, wo sie doch so viele Probleme bereitet? Wenn wir zeit-alt würden, aber eben nicht körper-alt?

Die Evolution sortiert nun mal eben nicht nach dem „Fittesten“ aus sondern nach dem, der die meisten Nachkommen hat. Dazu muss man nur während der Geschlechtsreife und ein paar Jahre danach gesund sein. Alles weitere interessiert die Evolution nicht großartig. Das nennt man dann antagonistische Pleiotropie, bei der Prozesse die für das die Gesundheit in der Jugend wichtig sind im Alter eher schaden können.

Und tatsächlich, es gibt ein paar Studien bei der man künstlich seneszente Zellen im Modell entfernte und siehe da, die Mäuse wurden gesünder zeit-alt, starben jedoch nicht später als ihre Kollegen mit seneszenten Zellen.

Who wants to live forever?

 

Biologischer Datenschutz – Der #31c3 für Bio-Hacker

Es ist jetzt ein bisschen länger her, aber ich möchte hier noch über meine Erlebnisse auf dem 31c3 bloggen. Der 31c3 – auch Chaos Communication Congress – ist ein Congress des Chaos Computer Clubs und findet jährlich zwischen den Jahren statt. CCC – sind das nicht diese Hacker, die dem Schäuble den Fingerabdruck geklaut haben? Ja genau! Und was hat das jetzt mit Biologie zu tun? VIEL!

Fangen wir doch gleich mal bei Herrn Schäuble an. Ich habe einst Kurse in Forensik belegt und dabei auch Fingerabdrücke genommen. Jetzt wo wir wissen wie einfach es ist, Fingerabdrücke zu „klauen“, sogar nur mit einer hochauflösenden Kamera, wie wollen wir eigentlich wissen, dass die Fingerabdrücke eines Tatorts auch zu der Person gehören? Ein Handschuhe mit künstlichen Fingerabdrücken könnte bei der Tat getragen worden sein. Man muss nur daran denken, die Handschuhe immer wieder gut einzufetten.

Das ist schon gruselig. Aber es geht noch schlimmer. Mittlerweile gibt es Genomprojekte, bei denen das gesamte Genom einer Gruppe analysiert wird. Diese Daten müssen unbedingt verschlüsselt und anonymisiert gespeichert werden. Und am besten unzugänglich und unhackbar – also möglichst auf einer fernab von Internet hermetisch gepanzerten Festplatte. Was an dem Genom so interessant ist? An ihr ließe sich nicht nur das Risiko für Krankheiten berechnen – wofür Versicherungen wohl ein Heiden Geld ausgeben würden – theoretisch können wir irgendwann das Aussehen einer Person bestimmen. Methoden um das Geschlecht und die Haut- und Augenfarbe zu bestimmen existieren bereits. Je nach Größe der Gruppe kann einem das bereits viel sagen. Wird das Genom noch dazu mit Namen oder Orten versehen reicht das aus um mal eben den biologischen Vater zu finden.

Mir kommt auch ein bisschen die Zukunftsvision, dass wir irgendwann das gesamte Erbgut nachsynthetisieren könnten. Wir haben bereits künstliche Chromosomen für Bakterien erschaffen – was passiert wenn wir ein gesamtes Genom nachsynthetisieren und es in eine Eizelle stecken und somit einen Menschen klonen. Dürfen wir das?

Datenschutz ist nicht nur etwas technologisches, er ist auch biologisch. Unsere Persönlichkeit ist nicht nur virtuell verfolgbar, sie kann auch biologisch verfolgt werden. Es ist also wichtig dass wir unsere biologischen Daten irgendwie zu schützen lernen. Immerhin: Es ist in Deutschland verboten, das Erbgut forensisch auf mehr zu untersuchen als nicht codierende Allele, also Erbgut was sich nicht in unserem Äußeren abbildet. Außer das Geschlecht. Bei allem Post-Gendertum ergibt dies aber Sinn wenn es zum Beispiel um Vergewaltigungen geht bei der das Erbgut von Opfer und Täter(in) getrennt werden muss.

Aber es gibt auch ein paar tolle Sachen. 3D-Drucker zum Beispiel. Sie könnten Gebrauch beim Drucken von ganzen Organen aus einer Zellsuspension finden. Wir stellen uns vor der @fischblog bräuchte eine neue Niere. Jetzt nehmen wir ihm ein paar körpereigene Zellen ab, führen sie zurück ins das Stammzellstadium und drucken aus ihnen eine neue Niere. Abstoßungsgefahr gleich Null, denn das alles sind fischige Fischblogzellen. Natürlich ist das Zukunftsmusik, denn noch sind induzierte Stammzellen (iPS) nicht so leicht herzustellen und bergen das Risiko einer Transformation zu Krebszellen. Das ist so, weil wir für die Induzierung Gene anschalten müssen, die auch im Krebs aktiviert sind und die zu Schäden in der DNA führen könnten. Aber man forscht daran. Auch am Druckverfahren. Hier muss natürlich auch noch etwas gefeilt werden, denn Organe bestehen aus mehreren Zellarten, extrazullulären Bestandteilen und benötigen auch noch ein Gefäßsystem. Aber das könnte ziemlich schnell gehen.

Aber – wieso gleich transplantierbare Organe, wieso nicht erstmal ein paar Hühnernierchen oder vielleicht ein saftiges Steak aus dem Drucker?

Fasziniert hat mich übrigens auch der Cocktailbot. Ein Roboter mit Einspritzdüsen, der jeden Cocktail mischen konnte den man ihm einprogrammiert hat. Sowas hätte ich ja gerne gehabt. Ständig Lösungen zusammenschütten, hier ein Medium supplementieren, da einen Puffer mixen – oft immer aus ähnlichen Zutaten nur in anderer Zusammensetzung. Wie schön wäre es gewesen, einfach eine Flasche unter eine Düse zu stellen und die Flüssigkeit gleich steril abzuzapfen? Aber gut, das ist ein bisschen ein Luxusproblem.

Nicht zuletzt geht uns Datenschutz natürlich sowieso alle an. Gerade in der Biologie werden so oft riesige Datenmengen transferiert, gerade in der Biologie sind die Daten so oft vertraulich oder kritisch, gerade in der Biologie verlangt das Patentrecht dass die Daten nicht aus der Hand gegeben werden, also nicht via Drittanbieter geteilt werden können. Und trotzdem hinkt sie sehr, sehr weiter hinterher.Ich beschwere mich auch immer wieder über schlechte Bio-Software. Programme die kein Batch-Processing können oder nur sehr umständlich bedient werden können – es gibt sie zu Hauf, denn der Markt ist ja viel kleiner. Doch es ist schwieirg zu vermitteln. Was Biologen wollen und was der Softwareentwickler versteht sind nur zu oft zwei verschiedene Dinge und so kommt es in Zukunft immer mehr auf den Dialog an bei der man die Sicht der Gegenseite nachvollziehen kann.

Jetzt war ich aber nicht nur aus wissenschaftlichem Interesse da. Ich war eigentlich einfach so da und es war wirklich toll. Ich so, als nicht-hackende Frau, die auf diesem Event genau eine Person vorher einmal live gesehen hatte die dort war. Und Viren und Code kenne ich auch eher von meiner Workbench. Ich wurde aber sehr herzlich von Leuten wie Frau Nett und Gyrosgeier empfangen (die ich hier erwähne weil ich ihnen sehr, sehr dankbar für ihre Hilfe bin) und den Rest der Leute trifft man eben dort. Ich schreibe das deswegen, weil sich wohl Frauen und/oder nicht-Hackende nicht so sehr auf den Congress trauen. Aber ich habe das Gefühl, jeder halbwegs freundliche Mensch wäre dort mit offenen Armen empfangen worden. Natürlich sollten einen ein paar der mannigfaltigen Themen schon interessieren, sonst wird es langweilig. Aber eigentlich ist für jeden was dabei. Und wenn man will kann man an die vielen Themen unglaublich nah ran. Egal welche Frage ich hatte, absolut niemand begegnete mir mit dem sonst doch recht häufigen „read the fucking manual“ sondern erzählte mir etwas dazu.

Wenn man wirklich niemanden kennt sollte man sich den Chaospatinnen anschließen (da muss man sich sehr früh für anmelden und ich habe das verpasst). Wenn man generell eine kommunikative Person ist sollte man sich einfach irgendwo an den Tisch setzen und die Leute Sachen fragen. Sie erzählen einem gerne etwas wenn man freundlich fragt. Und in gewisser Weise entstehen auch Schicksalsgemeinschaften – ob nun in der T-Shirt Schlange, im Nachtbus oder bei einem Workshop. Mit meinen Ausführungen über die biologische Alterung hielt ich zum Beispiel den gesamten Lockpicking-Tisch bei Laune. Man lernt dort Leute kennen. Und alle sind nett. Ganz ehrlich. Als eine der wenigen Frauen wird man eventuell sogar besonders respektvoll behandelt (hatte ich das Gefühl, aber vielleicht sind Hacker einfach nur besonders respektvoll).

Apropos, es ist natürlich schade, dass dort noch nicht so viele Frauen unterwegs sind. Aber ich glaube das „noch“ ist der springende Punkt. So viele Kinder wie da rumhüpfen – die die Natur uns nun mal zur Hälfte weiblich macht – wird sich die kommende Hackergeneration wohl wandeln. Ansonsten war mir das aber eher unwichtig ob ich nun mit Männlein oder Weiblein rede.

Wie gesagt habe ich Lockpicking „gelernt“, ich habe den Shownotes über die Schulter geschaut, ich habe mich mit ganz vielen tollen, interessanten Menschen unterhalten und bin mit ihnen rumgezogen, ich habe 3D-Drucker bestaunt, Mate getrunken, Talks gelauscht, mich in der Halle 3 den Freuden des Alkohols gewidmet, Podcasts live gehört und gesehen, mit wildfremden Leuten abgehangen und es war ziemlich stressfrei. Anstrengend, aber stressfrei.

Und ich glaube zum 32c3 komme ich wieder.

 

Eimerweise …Eis

Ich werde heute ein kleines, meinungslastiges Intermezzo machen. Es geht um die sogenannte #ALSicebucketchallenge, die sowohl in meiner Facebook als auch Twitter Timeline auftauchte. Was genau ALS ist, dazu gibt es bereits viele Posts, sonst hätte ich das euch auch erklärt. Ob ihr dafür spenden wollt oder nicht, ob ihr euch einen Eimer Wasser über den Kopf kippen wollt oder nicht – das ist eure Sache. Es gibt immer etwas, für das man etwas tun kann. Tut das was ihr als am sinnvollsten erachtet.

Mir geht es um etwas anderes. Mir geht es um diesen Artikel der Ärzte gegen Tierversuche: Warum die Ice Bucket Challenge nicht cool ist. Ein Artikel, welcher mit Adjektiven wie „grausam“, „qualvoll“ und „lebensverachtend“ Stimmung gegen Tierversuche macht. Auf Kosten kranker Menschen, was meiner Meinung nach nicht in Ordnung ist.

Dieser Artikel tauchte ebenso in meiner Facebook als auch Twitter Timeline auf und wurde vielfach geteilt. Seit heute Morgen berichtet auch N24 darüber und sicherlich noch andere Nachrichtensender. Ich musste auf Facebook irgendetwas schreiben. Und es wurde etwas mehr und daher möchte ich es auch hier teilen.

Ich habe in meiner noch gar nicht so langen wissenschaftlichen Laufbahn an einigen Tierversuchen mitgearbeitet. Ich finde Tierversuche selbst nicht schön und ich kenne keinen Forscher, der/die nicht, wenn es ginge, lieber ein anderes Modell nutzen würde. Und dennoch, ich habe dabei gesehen, wie respektvoll die Forscher mit den Tieren, mit dem Leben, umgehen. Aber die Ärzte gegen Tierversuche nennen es „lebensverachtend“ dass wir „Tiermodell“ sagen. Ich fühle mich persönlich beleidigt. Ein weiteres Wort im Vokabular von Forschern, die Tierversuche durchführen ist übrigens „opfern“. Ist das lebensverachtend? Zeigt es nicht genau, dass wir das Leben der Tiere die für unsere Forschung sterben, schätzen, dankbar sind? In Japan gibt es eine Statue die an die Ratten erinnert, die für die DNA-Forschung ihr Leben geben mussten. Japanische Forscher verneigen sich in Dankbarkeit davor. Ich möchte so etwas auch in Deutschland.

Hier ist der Post aus Facebook, ein wenig abgeändert und ausgeweitet. Ich forsche nicht an ALS oder ähnlichen Krankheiten, daher kann ich eher Generelles sagen, aber das ist schon genug.
1. Tierversuche sind in Deutschland strikt reglementiert. Ich kann nicht für andere Länder sprechen, da kenne ich die genauen Gesetze nicht, aber hier in D folgt man sehr klaren ethischen Regeln die das Leiden der Tiere verhindern sollen. Es gibt eine Ethikkommission, die diese Versuche genehmigen muss, sie bestehen zu einem Drittel aus Tierschützern. Zudem gibt es auch oft noch institutsinterne Kommissionen, die vorher schon mal den Tierversuchsantrag bewerten.
2. Es gibt derzeit soweit ich weiß zwei Tiermodelle für ALS, die durch eine genetische Veränderung von 2 verschiedenen Genen (SOD1/TPD43) entstanden sind. ALS hat aber mindestens 24 (!!!!) betroffene Gene. Transgene Mäuse bei denen nur EIN Gen betroffen ist sind also sicherlich kein Modell für jede Form von ALS, aber es ergibt Sinn einzelne veränderte Gene in einem Organismus anzuschauen um die Wirkung zu beschreiben und gezielte Therapien für diese Genveränderungen zu finden. Genau das wird auch gemacht. Natürlich werden an diesen Mäusen Studien gemacht. Und manchmal findet man raus, das etwas was in einem Zellkulturexperiment funktioniert hat, in der Maus gar nicht funktioniert. Zum Beispiel weil das Medikament sich im Körper verändert. Oder nicht dort ankommt wo es hin soll. Genau DESWEGEN braucht es diese Versuche, genau DESWEGEN werden sie publiziert. Man kann nie genau voraussagen wie genau ein Medikament im Organismus reagiert.

3. Das neueste Tiermodell (TPD43) ist ca 5 Jahre alt. Ein Tiermodell zu entwickeln ist teuer und kostet vor allem Zeit. Sich zu beschweren dass es kein neues, besseres, zu 100% korrektes Modell gibt ist wie zu sagen „Wieso ist mein Palast den du gestern bauen solltest noch nicht fertig?“
4. Irgendwie haben diese Ärzte gegen Tierversuche auch keine Lösung… Neues Tiermodell? Oder eine tierlose Lösung? Auf der Webseite wird auf Computermodelle und Zellkulturen verwiesen. Computermodelle sind allerdings nur dann möglich wenn man bereits viel Wissen über die Krankheit gesammelt hat. Dort wo man kann, wendet man sie auch an, denn sie sind billiger, schneller und besser vorhersagbar als Tiermodelle. Was unter anderem daran liegt, dass wir Lebewesen komplexer sind als Computer. Zellkulturen spielen in der Forschung schon immer eine große Rolle. Sie sind wunderbar geeignet um Vorgänge innerhalb eines Zelltyps isoliert zu betrachten. Was jedoch fehlt ist die komplexe Interaktion zwischen verschiedenen Zelltypen die wir so im Körper haben (siehe 2.). Was leider oft auch vergessen wird: Zellkulturmethoden und die Forschung an sich funktionieren nur durch viele tierische Inhaltsstoffe, wie beispielsweise Foetales Rinderserum oder Antikörperseren.
5. Wir könnten auf schmerzfreie Systeme setzen? ALS-Patienten sind übrigens keine schmerzfreien Systeme.
6. Die Ärzte gegen Tierversuche die sich auf der Webseite gegen Tierversuche aussprechen sind zum Beispiel ein Augenarzt, eine Pathologin, Chirurg und Orthopäde. Nicht so die Fraktion der Ärzte, die ständig Menschen sieht, die an unheilbaren, unerforschten Krankheiten leiden. Das macht es leichter.
7. Wer sagt eigentlich, dass das Geld aus der Icebucketchallenge nicht für die Erforschung von neuen Modellen (tierisch oder nicht tierisch) genutzt werden kann?
8. Wenn euch das nicht überzeugt, tut es vielleicht der schnöde Mammon: Tierversuche sind VERDAMMT teuer. Und aufwendig. Die macht man nicht zum Spaß weil man gerne Tiere quält. Die darf man nur machen wenn es kein anderes System gibt was die Frage die gestellt wird beantwortet. Auch die Pharmaindustrie hat ja eher finanzielle Interessen. In den Tierhäusern der Institute arbeiten jede Menge Pfleger, mit strengsten Hygieneauflagen (zum Beispiel muss vor Betreten der Tierhaltung geduscht werden, es gibt spezielle Klamotten, Handschuhe, Mundschutz, Füßlinge; alles was und jeder der rein geht muss steril sein). Dazu gibt es noch Tierärzte, die bei jeder Auffälligkeit gerufen werden müssen. Und noch die Menschen, die die Käfige säubern, neu sterilisieren etc. Diese Leute die mit/für die Tiere arbeiten werden (leider) nicht sehr fürstlich entlohnt und doch machen sie wichtige Arbeit und doch ist ihre Arbeit alles in allem sehr teuer, was schon von alleine dazu führt dass die Anzahl der Tierversuche niedrig gehalten werden muss.
9. Wenn das alles für euch noch nicht überzeugend ist, setzen wir uns doch mal bei mir an der Arbeit vor die Tür und zählen die Chemopatienten die da so rauslaufen (Ich kann keine ALS-Patienten anbieten). Und dann sagt ihr jedem von denen, dass ihr ja findet dass die Tierversuche die gemacht werden, um ihre Krankheit besser zu verstehen, Scheiße sind. So in ihr wimpern- und brauenloses Gesicht. Dann könnt ihr gerne dafür sein jetzt alle Tierversuche abzuschaffen. Ich nenne es die #HerzausEisChallenge.

 

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Was mache ich hier eigentlich? Teil 1: Allgemeines zu DNA-Schaden

Ich habe in der letzten Zeit sehr viel gemacht. Arbeitstechnisch. Und ich werde immer mal wieder gefragt was ich da so genau tue. Ja, diese Selbstfindung als Biologin ist schon sehr schwierig. Sich genau zu einem Forschungsfeld zuzuordnen ist wie sich bei einem Musikgenre festzulegen.

Ja, also was mache ich eigentlich? Ich forsche an DNA-Schaden. Das ist zum einen erstmal stinknormale Krebsforschung: DNA-Schaden kann zu Mutationen (Erbgutveränderungen) führen und Mutationen können zu Krebs führen. Allerdings basieren auch die Krebstherapien auf DNA-Schaden. Die meisten Chemotherapeutika verursachen so starken DNA-Schaden, dass unsere Zellen kapitulieren und sterben.

Gleichzeitig ist es aber so, dass unsere Zellen jeden Tag mit Schäden in ihrer DNA zu kämpfen haben. Das ist ganz normal und geschieht durch äußere wie innere Einflüsse. Zu den äußeren Einflüssen zählt Strahlung, die von der Sonne genauso wie Radioaktivität. Dann gibt es noch so einige Zellgifte, die wir zu uns nehmen, die ebenfalls unsere DNA schädigen können. Dazu zählt überwiegend das Rauchen. Und dann sind wir noch ein Opfer unserer selbst. Damit wir leben können atmen und essen wir. Die Energie die wir zu uns nehmen führt in unserem Körper zu sogenannten Reaktiven Sauerstoff Spezien, Sauerstoffradikale. Und wie Radikale im makroskopischen Leben auch sind diese Sauerstoffradikale sehr gefährlich. Aufgrund ihrer chemischen Beschaffenheit möchten sie an irgendetwas binden – das kann auch mal so ein Stück DNA sein. Aber jetzt nicht gleich mit dem Atmen aufhören! Unsere Zellen wissen natürlich wie man damit umzugehen hat.

Wieso ist das jetzt so schlimm? Die DNA ist Trägerin unseres genetischen Bauplans. Darin stehen alle wichtigen Rezepte für die Proteine die unsere Zellen zum Leben brauchen. Aber sie ist ein chemisches Molekül und kann mit anderen chemischen Molekülen, auch mit sich selbst, reagieren (ich muss hier als Biologin zähneknirschend zugeben, dass das alles Chemie ist). Es ist also wichtig, dass unsere Zellen darauf achten, dass eben dies nicht passiert, dass sich die DNA nicht durch chemische Reaktionen irgendwie verändert. Stellt euch vor, ihr habt das Rezeptbuch eurer Großmutter und jemand klatscht einen riesigen Schokofleck auf das Rezept von eurem Lieblingskuchen und die Informationen sind unlesbar!

Was kann nun passieren? Schäden in der DNA können entweder die einzelnen Basen betreffen und sie verändern oder die Stränge der DNA. Wir erinnern uns: Unsere DNA hat zwei Stränge, es kann entweder einer oder es können beide davon kaputt gehen. Wir nennen das DNA-Einzel- bzw Doppelstrangbruch.

Bei einer chemisch veränderten Base kann es passieren, dass bei der Kopie der DNA die Zelle die Base für eine andere hält. Sie setzt ihr dann entsprechend eine andere Base entgegen, als sie eigentlich sollte. Dieser Kopierfehler kann unter Umständen große Probleme bereiten. Passiert er in einem wichtigen Gen kann dies enorme Veränderungen verursachen, es kann aber auch gar nichts passieren. Das würde hier allerdings zu sehr ausufern.

DNA-Einzel- oder Doppelstrangbrüche führen dazu, dass die DNA Replikation plötzlich abbricht. Das ist noch viel gefährlicher. Denn wenn die Zelle hier nichts unternimmt haben ihre beiden Tochterzellen eventuell nicht genügend DNA, weil ja ein Teil nicht repliziert wurde. Aber auch hier kein Grund zur Panik, es passiert nur sehr selten, dass es so weit kommt.

Passieren Brüche nach der Replikation wird ein Teil der DNA eventuell bei der Zellteilung nicht richtig in die zwei Tochterzellen verteilt, denn die Zelle ist auf ein Extra-Teilstück DNA nicht vorbereitet. Ich muss euch hoffentlich nicht erklären wieso das schlimm ist, wenn der Zelle plötzlich wichtige Information fehlt.

Ihr seht also, es ergibt viel Sinn sich näher mit DNA-Schäden zu beschäftigen. Wir müssen mehr über die Mechanismen wissen, wie Zellen Schaden nehmen, damit wir es verhindern können. Oder damit wir es in Krankheiten wie beispielsweise Krebs für uns nutzen können, um eine Zelle gezielter zu töten. Dazu müssen wir vor allem verstehen wie die Zelle nach DNA-Schaden reagiert. Und das erfahrt ihr im nächsten Blogbeitrag.

 

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GENug McDoNAlds?

Es ist ganz furchtbar. Jetzt kommt da ein Konzern daher, der schon immer für seine hochqualitativen Produkte berühmt war und schmeißt Gene in sein Essen. Und die ganze Welt schreit auf.

Auch ich mag McDonalds-Essen, ab und an. Oft ist es einfach bequem. Ich sehe den Laden dennoch an vielen Punkten kritisch. Dass in einem 1-Euro-Chicken-Burger kein glückliches Huhn seine Bestimmung gefunden hat dürfte klar sein. Aber werden nun die armen Hühner noch Mutanten, weil sie genmanipuliertes Soja gegessen haben? Nehmen wir auch noch, zusammen mit den Chemiegürkchen, fiese Gene in uns auf, ohne von den Folgen auch nur irgendetwas zu ahnen?

Nun, die Hühner werden durch genverändertes Soja wohl nicht sonderlich profitieren. Vielleicht werden sie aber doch etwas glücklicher, denn der Grund wieso man Pflanzen gentechnisch verändert ist häufig, damit weniger Pestizide eingesetzt werden müssen. Aber was passiert da eigentlich und wieso macht uns das so Angst?

Der Ausdruck „Genmais“, den man vielerorts zu lesen bekommt ist denkbar ungünstig gewählt. Es gibt kaum etwas, dass wir Essen, das nicht von Natur aus Gene beinhaltet. Grundsätzlich hat jede Pflanze, jedes Tier und jedes Tierprodukt Gene. Und die nehmen wir täglich zu uns. Jede Tomate, jeder Apfel, jedes Brot und auch Käse, Fleisch oder Eier: Sie enthalten alle Gene und wir essen dies nun schon seit Jahrhunderten.

Gene sind nichts kryptisches, abstraktes. Gene sind ganz reelle, erfassbare Konstrukte. Sie sind nichts anderes als Abschnitte der DNA in unseren Zellen, die der Bauplan für die Proteine sind, durch unser Leben erst möglich ist. Zum Gen gehören noch regulatorische Bestandteile, also Teile, die der Zelle sagen, wann dieses Protein hergestellt werden soll. Auch diese bestehen ganz einfach aus DNA.

Die DNA ist in allen Lebewesen gleich. Sie besteht, wie ich bereits erklärt habe, im Grunde genommen aus einem Gerüst und vier verschiedenen Basen. Und diese Basen sind immer gleich, nur die Reihenfolge ändert sich. Die Reihenfolge der Basen ergibt den Gencode. Um Gene zu entschlüsseln muss diese – bei uns Säugetieren – zunächst einmal in die Zelle, am besten in den Zellkern, gelangen. Dort gibt es spezielle Proteine, die die DNA abschreiben können und aus dieser Abschrift können dann Proteine hergestellt werden.

Wie aber kommt DNA in unsere Zellen? Das ist gar nicht so leicht. Viren können dies sehr effizient bewerkstelligen, ansonsten benötigt man Chemikalien oder auch gezielte Elektroshocks um eine Zelle dazu zu bewegen, die DNA aufzunehmen. Einfach nur DNA auf ein paar Zellen träufeln reicht nicht aus.

Die fremden Gene im Futtermittel für McDonalds-Hühnchen werden also gleichermaßen verdaut, wie alle anderen Gene die wir so essen auch. Ganz gleich was in der DNA zu lesen steht.

Was befürchten wir also? Genmanipulierte Pflanzen sind besser kontrolliert als alle anderen Pflanzen die wir essen. Sie bergen das Potential, dass wir weniger Pestizide benötigen oder die Pflanzen resistenter gegen Dürren sind – oder aber sie werden so verändert, dass sie Vitamine produzieren an denen Mangel herrscht. Sie sind aber kein Allheilmittel. Es ist immer noch ein sehr kleiner Schritt und Quasi-Monopol-Mächte sehe ich auch sehr kritisch. Aber ist es legitim etwas zu verbieten weil eine Firma davon profitiert? Ist es weise, den Fortschritt zu bekämpfen, anstatt ihn klar zu reglementieren und dann im wahrsten Sinne des Wortes die Früchte zu ernten? Ich bin gespannt auf eure Meinung und beantworte auch in den Kommentaren gerne Fragen.

Seid furchtbar und mehret euch

Jaja, die DNA. Man kann soviel darüber schreiben. Sie ist ein wirklich fantastisch gestaltetes Molekül. Nicht nur dass sie eben diese Doppelhelix hat, die sie sehr stabil macht, das wirklich neue an der DNA war, evolutionär gesehen, dass sie zwei Stränge hat. Einen „Sense“ Strang und einen „Antisense“ Strang. Also einen der Sinn ergibt und einen der genau umgekehrt gelesen werden müsste damit er Sinn ergibt. Man sagt auch „rückwärts komplementär“. Was ist daran so toll? Da sich die Basen, die ja den genetischen Code ausmachen, nur ganz spezifisch verbinden können ist ein Strang immer gleich der Bauplan für den anderen.

 

Jetzt nehmen wir einmal an, die Zelle möchte sich vermehren. Dazu muss sie erst einmal ihre DNA verdoppeln, damit jede Tochterzelle je einen Satz DNA (und somit Chromosomen) erhalten kann. Das passiert schon sehr weit vor der eigentlichen Zellteilung denn die Zelle muss ihre DNA auf Fehler prüfen. Ist da vielleicht eine Base falsch zugeordnet? Oder ist sie irgendwo angeknackst? Ist alles okay geht die DNA Replikation los.

 

Ein Enzym namens Helicase lagert sich zwischen den beiden Strängen an und löst die Verbindungen zwischen den Basen, die beiden Stränge gehen auf wie bei einem Reißverschluss. Jetzt kann sich die Polymerase anlagern. Polymerasen sind Enzyme, die DNA synthetisieren. Sie erkennt die Base auf dem Strang und sucht die passende aus. Bei einem Adenin hält sie also ein Thymin hin, bei einem Guanin ein Cytosin und umgekehrt. Wie ein kleiner Amor beschleunigt sie die Verbindung zwischen den beiden Basen. An den Basen hängt schon das Zuckerphosphatgerüst dran, man nennt sie Nukleotide.

 

Die Polymerase hat einen Nachteil, sie kann nur in eine Richtung synthetisieren. Die Richtung ergibt sich hier aus den Phosphatzuckerresten, die das Gerüst der DNA bilden. Wir Biologen reden von einem 5-Strich (5′) und einen 3-Strich-Ende (3′) und wer kein Chemie mag überspringt den Rest dieses Absatzes. Chemiker zählen die Kohlenstoffe von Molekülen gerne um sie genau beschreiben zu können. Die Bestandteile der DNA haben je einen Ring aus 5 Zuckern die von 1-5 durchgezählt werden. Am dritten und am fünften sind die Zucker über das Phosphat verbunden. Es geht jetzt darum ob die Reihenfolge der gegenläufigen Stränge 5′ zu 3′ oder 3′ zu 5′ ist. Die Polymerase kann nur von 5′-3′ synthetisieren.

Vor allem braucht sie dazu einen Primer. Ein Primer ist ein kleines Stück RNA, das ist so ähnlich wie DNA. Er bindet sich an die DNA und dient als Startpunkt an dem die Polymerase ansetzen kann. Die Primer werden später zerstört und ersetzt.

Auf dem 5′-zu 3′ Strang der DNA kann die Polymerase einfach ab dem Primer lossynthetisieren, sie muss nur der Helicase hinterherlaufen. Da die Helicase die DNA nicht komplett öffnet sondern nur kleine „Bläschen“ erzeugt in der die DNA gerade offen ist, kann die Polymerase nicht warten bis der gesamte Strang geöffnet ist und dann von der anderen Seite her loslegen. Daher werden immer nur kleine Stückchen DNA repliziert, weil die Polymerase entgegen der Richtung arbeiten muss in der der Strang aufgeht. So setzt sie ein Enzym namens Primase immer neue Primer, zwischen denen die Polymerase dann die DNA synthetisiert. Diese Stücke nennt man Okazaki-Fragmente. Die RNA-Primer werden danach zerstört und durch DNA ersetzt.

 

Vielleicht haben manche von euch schon einmal von der Polymerasen Kettenreaktion oder PCR (Polymerase Chain Reaction) gehört. Das ist eine sehr häufig in der Biologie angewandte Grundlagenmethode. Eigentlich passiert vom Prinzip her nicht viel anderes als in der Zelle auch. Wir verwenden keine Helicase sondern erhitzen die DNA einfach sehr hoch, dann trennt sich der gesamte Strang (er denaturiert) auf. Dann senken wir die Temperatur, die künstlich hergestellten Primer binden an den zu ihnen passenden DNA-Abschnitt und die Polymerase kann loslegen. Wir verwenden spezielle, hitzeresistente Polymerasen die man sonst in Mikroorganismen in heißen Quellen findet. Eine kleine Änderung gibt es aber dennoch: Nur ganz selten wollten Forscher das gesamte Genom eines Organismus‘ replizieren. Oft sind wir nur an einem Gen oder einer speziellen Stelle interessiert. Dafür bauen wir Primer, kleine DNA-sequenzen die eine bestimmte Stelle auf der DNA finden und daran binden. Mit einem zweiten Primer markieren wir das Ende. Die Polymerase sieht den einen Primer als Startpunkt und synthetisiert los bis sie an den nächsten anstößt. Ist die Synthese komplett wird die DNA wieder erhitzt, der frisch synthetisierte Strang trennt sich vom alten, die Temperatur wird wieder gesenkt und es kann erneut synthetisiert werden.

 

Die PCR findet unter anderem Anwendung beim klonieren, also beim vervielfältigen, verändern oder verbinden von Genen im Labor. Sie ist aber auch analytisch anwendbar. Wir können feststellen ob unsere Labor-Mäuse ein bestimmtes Gen besitzen oder nicht, oder wir können Verunreinigungen durch Mikroorganismen in unseren Zellkulturen nachweisen. In der Forensik nimmt man die PCR oft zur Ermittlung des genetischen Fingerabdrucks, zum Beispiel um einen Täter zu überführen oder um eine Vaterschaft nachzuweisen. Letzteres ist natürlich schöner.

Frederick Sanger – Codes entschlüsseln für Profis

Für mich gibt es drei wichtige Freds. Der eine ist ein befreundeter Folksänger, der zweite ein bereits verstorbener Rocksänger, der dritte starb gestern und er war Biochemiker. Frederick Sanger hat als einziger Mensch den Nobelpreis für Chemie zweimal bekommen, das zeigt schonmal wie genial dieser Brite war und wie wichtig es ist, etwas über ihn zu wissen. Interessant ist, dass Sanger die Nobelpreise für zwei augenscheinlich recht unterschiedliche Projekte bekam, zum einen für die Erforschung des Insulins, zum anderen für die Etablierung einer Methode zur DNA-Sequenzierung.

Beginnen wir mit dem Insulin. Wer einen Diabetiker kennt der weiß, dass diese Menschen immer ein Fläschchen Insulin dabei haben und nach einer Mahlzeit ihren Blutzuckerspiegel messen, den Wert in ein Heftchen eintragen, ein bisschen herumrechnen und dann eine Spritze mit Insulin aufziehen und es sich spritzen. Unseren diabetischen Freunden fehlt es nämlich an Insulin, einem sehr kleinen Hormon, was unsere Bauchspeicheldrüse (Pancreas) produziert. Es wird in Vesikeln gespeichert und dort freigesetzt sobald die Zuckerkonzentration (Glukose) im Blut steigt. Insulin bindet an den Insulin Rezeptor (wir Biologen machen uns das manchmal echt leicht mit den Namen), woraufhin Glukose in die Zellen aufgenommen wird. Der aufmerksame Leser hat hier auch gemerkt, dass dies unabhängig von Geschmackssensoren passiert. Unser Insulinspiegel steigt nicht wenn wir Süßes schmecken, nur wenn wir Zucker aufgenommen haben.

Sanger wollte nun herausfinden, aus welchen Aminosäuren das Insulin zusammengesetzt ist. Aminosäuren sind die Bausteine aus denen unsere Proteine bestehen. Sie werden in einer langen Kette aneinandergereiht und zwar so, wie die Anleitung in unserer DNA es sagt. Immer drei DNA-Basen stehen für einen dieser Bausteine. Sanger fand nicht nur heraus, in welcher Reihenfolge diese Bausteine aneinander gereiht waren, sondern auch, dass Insulin aus zwei Ketten besteht die untereinander verbunden sind.

Dazu verwendete Sanger einen Stoff, DNFB, der spezifisch an die letzte der Aminosäuren andockte. Dann gab er Säure dazu, wodurch das Protein in seine Einzelteile, also die Aminosäuren, zerlegt wurde. Die Aminosäure die an DNFP gebunden war, konnte er aussortieren und mit einem schon bekannten Verfahren (Chromatographie) identifizieren.

Sanger wollte nun auch direkt eine Methode haben, um die Reihenfolge der DNA-Basen aufzuschlüsseln. Hier ging er anders vor. Er nahm DNA und vervielfältigte sie im Reagenzglas.

Wie das genau geht erkläre ich ein andermal. Was aber der Clou an der Methode von Sanger war: Er nahm Nukleotide (Basen an denen auch das Rückgrat der DNA, die Desoxyribose und das Phosphat hängt) und fügte ihnen weitere Nukleotide bei die, sobald sie eingebaut wurden, die Vervielfältigung beendeten. Dies machte man mit allen vier verschiedenen Nukleotiden die wir haben jeweils einzeln. Es gab also lauter halbfertige DNA-Stückchen der unterschiedlichsten Länge, da es Zufall ist ob ein normales Nukleotid oder ein „STOP-Hier geht’s nicht weiter“-Nukleotid eingefügt wird. Diese DNA-Stückchen trennte er nun nach ihrer Größe auf und machte sie sichtbar.

Damit konnte Sanger das erste Genom (also die gesamte DNA) aufschlüsseln, wir sagen dazu übrigens sequenzieren. Es handelte sich um das Genom einer Phage, einer Art Virus für Bakterien. Nebenbei fand er noch heraus, dass in dem Genom die Gene verschachtelt sein können, also ein Abschnitt gleichzeitig mehrere Gene enthalten kann.

Was haben wir heute von Sanger? Nun, das Insulin ist eines der wichtigsten Hormone überhaupt. Nur damit können Diabetiker überleben. Noch vor Hundert Jahren starben Diabetiker, noch vor fünfzig Jahren mussten sie sich das Insulin von Schweinen oder Kühen spritzen, was sie viel schlechter vertrugen. Seine Arbeit an der Struktur von Insulin haben es unter anderem ermöglicht, das Hormon biotechnologisch herzustellen. Biologen haben Hefen den Bauplan (das Gen) für Insulin eingepflanzt und sie produzieren dann humanes Insulin. Und nicht nur das: Man hat das Insulin auch teilweise verändert, damit der Körper es langsamer aufnimmt. So entspricht es mehr den Bedingungen die im Körper gegeben sind.

Und die DNA-Sequenzierung? Damit haben wir viele Genome entschlüsselt. Unter anderem das des Menschen. Eine Weiterentwicklung der Methode führte dazu, das man mittlerweile schon sehr lange Abschnitte der DNA analysieren kann. Es gibt jetzt zwar noch bessere, noch schnellere und noch sensitivere Methoden, aber Sangers Methode wird immer noch angewandt. Die Analyse unseres Genoms hat viele Antworten geliefert, aber noch viel mehr Fragen aufgeworfen. Wie werden Gene an und aus geschaltet? Wieso ist unsere DNA der des Affens so ähnlich, aber wir sehen doch anders aus? Was passiert wenn die DNA an einer Stelle verändert ist?

Die Forschung an diesen Fragen läuft und jeden Tag finden Wissenschaftler etwas neues heraus. Dank Sangers Pioniergeist.

DNA – Unzip your Genes

Ich verwende die Abkürzung DNA sehr häufig und ohne jegliche Erklärung. Und in der Tat, die meisten Leute die ich kenne können sich zumindest etwas darunter vorstellen. Aber was und wie genau ist DNA eigentlich?

Ganz grundlegened steht DNA für Deoxyribonucleic Acid – oder aber auch Desoxyribonukleinsäure (DNS; ich bleibe bei der englischen Bezeichnung). Das setzt sich zusammen aus Desoxyribose – einem Zucker der der Ribose ähnelt aber einen Sauerstoff weniger hat (daher „des-oxy“). Nukleinsäure bedeutet eigentlich „Kernsäure“, also eine saure Substanz die in unserem Zellkern, dem Nukleus, vorkommt.

Ich habe schon einmal über die Struktur der DNA berichtet. Im Grunde ist sie eine Wendeltreppe, bei der die Stufen aus vier verschiedenen Basen gebildet werden, das Geländer besteht aus Deoxyribose an dem noch Phosphatreste dranhängen. Die vier Basen heißen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin. Biologen sind ja von Natur aus faul, daher nennen wir die Basen A, T, G und C. Die Basen binden sich gegenseitig über sogenannte Wasserstoffbrücken. Bei einer Wasserstoffbrücke bindet ein Wasserstoff-Atom (wer hätte es gedacht), ein sehr negativ geladenes Atom, bspw. Sauerstoff. Adenin und Thymin können untereinander zwei dieser Brücken bilden, Guanin und Cytosin bilden dieser drei, was auch bedeutet das auch immer vorgegeben ist welche der Basen sich untereinander verbinden. Außerdem ist die Bindung zwischen G und C stärker als zwischen A und T. Und diese Basen codieren alle Proteine die wir im Körper haben.

Mit einigen Ausnahmen haben alle Zellen in einem Körper die gleiche DNA. Ausnahmen sind zum Beispiel die roten Blutkörperchen – die haben gar keine. Und die Eizellen und Spermien – die haben nur die Hälfte weil sie erst miteinander kombiniert eine „richtige“ Zelle ergeben. Unsere B- und T-Zellen rearrangieren ihre DNA ein wenig um ihre Rolle im Immunsystem wahrzunehmen, denn auch ihre Antikörper bzw. Zell-Rezeptoren werden von der DNA kodiert. Sie drücken nur vorher noch einmal Shuffle um ein möglichst vielfältiges Waffenarsenal zu haben. Eines ist bei uns Menschen – bzw bei allen höheren Lebewesen, von der Hefe an, gleich. Unsere DNA befindet sich, getrennt von der restlichen Zelle, im Zellkern.
Der Zellkern ist eine Hülle um die DNA herum, sie besteht aus einer Membran (ähnlich wie die Zelle) die an der Innenseite mit Lamin beschichtet ist. Durch verschiedene Poren können aber viele Proteine in den Kern gehen und dort die verschiedensten Funktionen ausführen.

Die wichtigsten Proteine im Zellkern sind wohl die Histone. Durch den Phosphatrest ist unsere DNA stark negativ aufgeladen. Wenn man sich das wie bei Magneten vorstellen, die sich ja gegenseitig abstoßen, wird das Problem deutlich. Die ganzen negativen Ladungen stoßen einander ab und die DNA bräuchte viel Platz, gäbe es da nicht die Histone. Die Histone sind kleine Kügelchen. Sie sind wirklich sehr, sehr klein (selbst für uns Molekularbiologen) und nach außen hin positiv geladen. Und wer wieder an einen Magneten denkt: Ja, dieser positiv geladene Teil verbindet sich mit der negativ geladenen DNA. Die Ladung wird ausgeglichen. Gleichzeitig wickelt sich die DNA noch um die Histone herum, um sie wirklich eng zusammen zu packen. Die Histone bringen auch Ordnung in die DNA. Die haben wichtige Funktionen bei der Regulierung von Genen. Es gibt unterschiedliche Grade der Packung und je loser diese ist desto aktiver sind die Gene die dort codiert sind weil sie einfacher zu erreichen sind (aber dazu ein ander Mal mehr).

Im Normalfall liegt die DNA für unsereins sehr durcheinander vor. Die einzelnen Chromosomen kann man nicht unterscheiden. Erst wenn die DNA vor der Zellteilung, verdoppelt wird, aber an den Centromeren noch verbunden bleibt kann man sie unter dem Mikroskop sehen. Die Chromosomen sind also siamesische Zwillings-DNA-Moleküle. Verbunden sind sie über eine Centromer-Sequenz, ein sich wiederholender Code auf der DNA. Sie sind wichtig, damit die zwei Chromatiden (2 DNA-Zwillinge= Chromatiden = 1 Chromosom) bei der Zellteilung richtig voneinander getrennt werden, sie sind eine Art Ankerpunkt. Auch wenn sie das Wort „Zentrum“ einschließen, sie befinden sich nicht genau mittig, lagern sich aber während der Zellteilung schön in der Mitte der Kerns an.

Neben dem „Zentrum“ der Chromosomen gibt es auch die Enden. Man nennt sie Telomere. Telomere sind sich wiederholende DNA-Sequenzen (schon wieder!) und in erster Linie dazu da, zu verhindern dass sich zwei Chromosomen miteinander verbinden. Unsere Zellen spüren sofort, wenn die DNA entzwei gebrochen ist und schweißen sie wieder zusammen. Es ist also nötig, dass sie die normalen Enden von wirklichen Schäden unterscheiden kann. Durch die spezifische Sequenz formen die Telomere vierfach-Helixe die wiederum Proteine binden und sie schützen. Mit jeder Zelltteilung werden unsere Telomere ein Stückchen kürzer. Wenn die DNA kopiert wird, geht immer ein kleines Stück verloren. Wir kennen das ja, wenn wir auf einem Old School Kopiergerät kopieren, und die Kopie wieder kopieren… Wenn wir das ein paar Mal machen wird die Schrift immer gräulicher und irgendwann unleserlich. Die DNA-Polymerase, ein Enzym das unsere DNA vervielfältigt, braucht immer ein Stück DNA an das sie bindet, dass sie aber nicht vervielfältigt. So werden die Telomere jedes Mal ein Stück kürzer. Sind die Telomere zu kurz kann sich die Zelle nicht mehr teilen. Sie kann dann entweder einfach weiter vor sich hin vegetieren oder aber sie stirbt.
Ihr merkt, ich bin bei vielen Dingen noch nicht ins Detail gegangen. Das wird noch kommen. Merken sollt ihr euch, dass ein DNA Molekül ein Chromatid ist, das verdoppelt über das Centromer verbunden ist. Nur während der Zellteilung sind die Chromosomen als solche zu erkennen. Außerdem ist es wichtig, dass es zwei große Bereiche (und übrigens noch weitere kleinere) gibt auf denen keine Gene vorhanden sind, sondern sich Sequenzen immer wiederholen. Und unsere DNA wird immer kürzer je öfter sich die Zelle teilt. Es gibt Hinweise darauf, dass das mit dem Altern und auch mit Krebs zusammenhängt. Aber das sind wieder Themen für sich…