Prolog zum Königreich der Gene: Was ist genetisches Material?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Li Lei

Hersteller: China Science Expo

Heute sind Gene allgemein bekannt. Ob Nukleinsäure, Vaterschaftstests oder Fachzeitschriften – den Genen wurde schon immer Beachtung geschenkt.

So veröffentlichte beispielsweise das Magazin Science im Jahr 2022 sechs Artikel gleichzeitig und stellte auf seinem Cover die neuesten Ergebnisse des Humangenomprojekts vor, die es als neuen Meilenstein im Humangenomprojekt bezeichnete.

Titelseite des Wissenschaftsmagazins

(Bildquelle: Offizielle Science-Website)

Was ist ein Genom? Was hat das mit Genen zu tun? Warum widmen führende Fachzeitschriften den Genen bis heute so viel Raum? Was bedeuten uns Gene? Anhand von fünf Artikeln erzählen wir Ihnen die Geschichte des genetischen Reiches im Detail.

Bevor wir das Genom einführen, müssen wir die Gene verstehen.

Heute ist „Gen“ für die breite Öffentlichkeit zu einem sehr vertrauten Alltagswort geworden und jeder, ob jung oder alt, kennt dieses Wort. Was viele Menschen jedoch möglicherweise nicht wissen, ist, dass das Wort „Gen“ eigentlich ein neues Wort ist und erst seit über hundert Jahren existiert.

Beginnen wir ganz am Anfang.

Eine lange Erkundung – was ist genetisches Material?

Was genau den Menschen und die Eigenschaften verschiedener Lebensformen beeinflusst, kann man als ewiges Thema bezeichnen. Die Menschheit denkt schon seit langer Zeit über dieses Problem nach und hat dazu einige Spekulationen angestellt, wie etwa die östliche Legende, dass Nuwa die Menschen aus Lehm erschaffen hat, oder die westliche Theorie des Pythagoras, dass Erde, Luft, Wasser und Feuer das Leben ausmachen. Aufgrund kultureller und historischer Unterschiede weichen diese Spekulationen häufig voneinander ab.

Es gibt jedoch ein Phänomen, das es ermöglicht, grundlegendere Vermutungen über die Faktoren anzustellen, die dieses Merkmal beeinflussen, nämlich Ähnlichkeit , und insbesondere die Ähnlichkeit zwischen Blutsverwandten ist von besonderer Bedeutung. Dies lässt darauf schließen, dass diese Determinanten sehr eng miteinander verbunden sind.

Dies führte zur Entstehung eines weiteren wichtigen Wortes: Vererbung .

Im Vergleich zu anderen unvorhersehbaren Faktoren sind genetische Variablen, vor allem Eltern und Kinder, viel kleiner. Daher sind viele einfache Erkenntnisse über die Natur der Genetik entstanden, wie etwa Volksweisheiten wie „Ein Drache bringt einen Drachen zur Welt, ein Phönix bringt einen Phönix zur Welt“. Dies bedeutet, dass es gemeinsame genetische Faktoren zwischen Eltern und Nachkommen gibt und diese Faktoren im Organismus verwurzelt sein sollten.

Diesem Gedankengang folgend begann man, nach den Substanzen im Organismus zu suchen, die für die Vererbung verantwortlich sind.

Natürlich ist dieser Weg sehr lang. Bereits zur Zeit des Pythagoras stellte er die Vererbungstheorie auf. Er glaubte, dass die Vererbung durch das Sperma erfolgen sollte, das durch den Körper wandert, um verschiedene Informationen aufzunehmen und diese dann an die nächste Generation weiterzugeben. Später wurde den Menschen allmählich klar, dass beide Elternteile in die genetische Frage einbezogen werden sollten. Doch um welche Faktoren handelt es sich dabei genau?

Der bekannte Biologe Darwin beispielsweise stellte die Hypothese auf, dass verschiedene Zellen von Organismen über spezifische Fortpflanzungspartikel, sogenannte „Mikroknospen“ oder „Pansporen“, verfügen, die bei der Fortpflanzung weitergegeben werden. Natürlich gibt es auch andere Spekulationen, beispielsweise über Blut als genetischen Faktor.

Aber es gibt immer wieder großartige Menschen, die ihrer Zeit voraus sind und erfrischende Theorien entwickeln. Ein typisches Beispiel hierfür ist Mendel . Ohne zu wissen, was genetisches Material ist, schlug er auf kreative Weise die Existenz „genetischer Faktoren“ in Organismen vor und schlug mithilfe statistischer Methoden Mendels Gesetze der Vererbung vor – das Gesetz der Genregregation und das Gesetz der unabhängigen Sortimentierung.

Die Richtigkeit dieses Gesetzes wurde erst Jahrzehnte später bewiesen und versetzt die Menschen noch heute in Erstaunen.

Einige Jahrzehnte nach Mendels Tod schlug der dänische Genetiker Johnson erstmals offiziell das Wort „Gen“ vor. Gene kommt aus dem Griechischen und bedeutet „Leben“. Man erkennt, dass dieses Wort von Anfang an mit der reproduktiven Vererbung in Verbindung gebracht wurde. Als jemand, der im Bereich der Biowissenschaften arbeitet, glaube ich, dass die chinesische Übersetzung des Wortes „Gen“ ein Musterbeispiel an Treue, Ausdruckskraft und Eleganz ist und Harmonie zwischen Transliteration und wörtlicher Übersetzung erreicht.

Gen

(Bildquelle: Wiki, übersetzt vom Autor)

Allerdings unterschied sich das damalige Konzept der Gene tatsächlich erheblich von unserem heutigen Konzept der Gene. Doch inzwischen ist man sich unter den Menschen zumindest darüber einig, dass es einen Teil des lebenden Körpers gibt, der für die Weitergabe genetischer Informationen, also des Erbguts, zuständig ist.

Was ist also die Natur des genetischen Materials? Wissenschaftler sind seit Jahrzehnten auf der Suche nach diesem Thema. Natürlich war der Weg dorthin nicht einfach und erforderte die Anstrengungen unzähliger Wissenschaftler. Erst im letzten Jahrhundert, mit der Entwicklung der Biowissenschaften, insbesondere der Biochemie und Genetik, konnten wir schließlich die Natur des genetischen Materials bestimmen. Darunter spielten drei Experimente eine Schlüsselrolle.

Drei geniale Experimente zeigen, dass die Essenz des genetischen Materials Nukleinsäure ist

Um die Eigenschaften des genetischen Materials selbst zu untersuchen, müssen wir zunächst nach einigen relativ einfachen Modellen suchen, um den Schwierigkeitsgrad des Experiments so weit wie möglich zu reduzieren. Zu dieser Zeit wurden Viren und Bakterien mit einfacherer Struktur zu Forschungsobjekten.

Im Vergleich zur überwiegenden Mehrheit der eukaryotischen Organismen, zu denen auch der Mensch gehört, ist die Struktur von Viren und Bakterien viel einfacher. Nehmen wir als Beispiel die DNA. Bei Viren und Bakterien liegt DNA oft unabhängig vor, bei Eukaryoten ist die DNA jedoch von vielen Proteinen wie Histonen umhüllt und bildet so Chromatin (ein färbbares Objekt), das sowohl DNA als auch Proteine ​​sowie Strukturen wie das Zentromer in der Mitte und Telomere an beiden Enden enthält. Es ist sehr komplex.

Natürlich müssen wir bei der Überprüfung dieser Experimente immer noch so tun, als wüssten wir nicht, was die Natur des genetischen Materials ist, damit wir die Feinheiten dieser drei berühmten Experimente würdigen können.

Wir sind jedoch nicht völlig unwissend. Zumindest in den frühen Stadien der Erforschung der Natur des genetischen Materials haben die Forscher im Allgemeinen den Umfang des genetischen Materials, d. h. Nukleinsäuren oder Proteine, eingegrenzt. Denn mit biochemischen Methoden lässt sich feststellen, dass extrem einfache Lebensformen wie Viren nur über zwei Kernstrukturen verfügen, nämlich Nukleinsäure und Protein.

Jeder kennt diese beiden. Nukleinsäure wurde 1869 von Michel in weißen Blutkörperchen entdeckt. Sie erhielt damals den Namen Nuklid. Später entdeckte Altmann, dass dieses Molekül sauer war, und nannte es Nukleinsäure. Die Entdeckung des Proteins erfolgte sogar noch früher, nämlich im Jahr 1838 durch den Wissenschaftler Mulder.

Nach dieser grundlegenden Beurteilung besteht der nächste Schritt darin, zu unterscheiden, was das genetische Material ist, Nukleinsäure oder Protein, oder ob beides zutrifft.

1. Das klassische Transformationsexperiment bewies, dass DNA das genetische Material ist

Dieses Experiment wurde nacheinander von Griffith und Avery durchgeführt. Bei der sogenannten Transformation handelt es sich um die Umwandlung eines Pneumokokken-Typs in einen anderen Typ.

Zunächst müssen wir die beiden Arten von Pneumokokken vorstellen. Einer davon ist der giftige Pneumokokken vom Typ S (glatt) mit glatter Oberfläche und Kapsel, der andere ist der ungiftige Pneumokokken vom Typ R (rau) mit rauer Oberfläche und ohne Kapsel. Sie lassen sich direkt am Aussehen unterscheiden.

Griffith führte dann vier Versuchsreihen durch.

In der ersten Gruppe wurden Mäuse mit lebenden Bakterien vom Typ R injiziert, und sie starben nicht.

Der zweiten Gruppe wurden lebende Bakterien vom Typ S injiziert. Die Mäuse starben und in ihren Körpern wurden lebende Bakterien vom Typ S gefunden.

Der dritten Gruppe von Mäusen wurden durch Hitze abgetötete Bakterien vom Typ S injiziert, sie starben jedoch nicht.

Der vierten Gruppe wurden lebende Bakterien vom Typ R und durch Hitze abgetötete Bakterien vom Typ S injiziert. Die Mäuse starben und in ihren Körpern wurden lebende Bakterien vom Typ S gefunden.

Griffiths vier Experimente

(Bildquelle: Wiki, übersetzt vom Autor)

Durch einen einfachen Vergleich können wir erkennen, dass die Experimente der Gruppen 1 und 2 die Aktivität der R- und S-Typen selbst bewiesen, Experiment 3 bewies, dass der S-Typ abgetötet werden kann, und Experiment 4 bewies, dass eine bestimmte Substanz in den giftigen toten S-Typ-Bakterien auf die nicht-toxischen lebenden R-Typ-Bakterien übertragen werden kann und diese giftig macht.

Mit der damaligen Technologie war es jedoch unmöglich, die chemische Zusammensetzung dieses „Umrechnungsfaktors“ zu unterscheiden und festzustellen, was er war. Daher kam es zum Avery-Experiment.

Avery hatte Glück, denn der Mensch war damals bereits in der Lage, Bestandteile wie DNA, Proteine ​​und Polysaccharide von Bakterien zu unterscheiden. Also fügte Avery diese Komponenten den durch Hitze abgetöteten Bakterien vom S-Typ hinzu. Es zeigte sich, dass die Bakterien ihre Infektiosität nur durch die Zugabe von DNA wiederherstellen konnten.

Dieses Experiment bestätigte auch zum ersten Mal, dass DNA der Transformationsfaktor war.

Mit diesem Experiment ist das nächste Experiment eine natürliche Weiterentwicklung, nämlich: Enthält die DNA als Konvertierungsfaktor einen Teil der genetischen Information oder die gesamte genetische Information?

Dieses Mal arbeiteten Hershey und Chase mit einfacheren Bakteriophagen.

2. DNA enthält alle genetischen Informationen – Beweise von Bakteriophagen

Wie der Name schon sagt, ist ein Bakteriophage ein Organismus, der in Bakterien eindringen kann. Es handelt sich um ein Virus mit einer einfacheren Struktur als Bakterien. Es besteht hauptsächlich aus zwei Teilen: einer Proteinhülle außen und DNA im Inneren.

Weil die chemische Elementzusammensetzung von Protein und DNA unterschiedlich ist. Beispielsweise enthält Protein das Element S (Schwefel), während DNA grundsätzlich kein S-Element enthält. Im Gegensatz dazu kommt das Element P (Phosphor) hauptsächlich in der DNA vor. Daher können Proteine ​​und DNA mithilfe von Radioisotopentechniken markiert werden, sodass sie unterschieden werden können.

Anschließend infizierten sie Bakterien mit radioaktiven Isotopen markierten Phagen und stellten fest, dass während des Infektionsprozesses keine Proteine ​​in die Wirtsbakterien eindrangen, sondern nur DNA. Die eingebrachte DNA könnte die Bakterien weiter anleiten, einen vollständigen Phagen zu synthetisieren. Das Kapsidprotein dieses neu synthetisierten Phagen enthielt nicht das isotopenmarkierte S-Element.

Dies ist nicht nur ein weiterer Beweis dafür, dass es sich bei der DNA und nicht bei Proteinen um das genetische Material handelt, sondern auch, dass die DNA alle genetischen Informationen enthält.

Verwandte Experimente

(Bildquelle: Wiki)

3. Infektion mit Tabakmosaikviren beweist, dass RNA auch als genetisches Material verwendet werden kann

Nach den oben beschriebenen Experimenten begann jeder, über eine andere Frage nachzudenken. Es gibt zwei Arten von Nukleinsäuren. DNA ist Desoxyribonukleinsäure, ist also RNA, die keine Desoxyribonukleinsäure ist, genetisches Material? Es gab also das Conradt-Experiment.

Conrath wählte das Tabakmosaikvirus, das nur RNA enthält, um Tabak zu infizieren, und stellte fest, dass das Virus, das nur RNA enthält, ebenfalls infizieren und sich replizieren kann, was bestätigte, dass RNA auch genetisches Material ist.

Conrads Experiment

(Bildquelle: Referenz 1)

An diesem Punkt ist die Kontroverse um genetisches Material im Wesentlichen beendet und die Wissenschaftler sind sich mittlerweile grundsätzlich einig, dass es sich bei Nukleinsäuren um genetisches Material handelt.

Nachdem wir nun wissen, dass genetisches Material aus Nukleinsäure besteht, stellt sich die Frage, was Gene sind.

Der nächste Artikel wird es Ihnen sagen.

Herausgeber dieses Artikels: Sun Chenyu

Quellen:

1.Russell,P., I Genetics, a molecula approach, 3. Auflage, 2009, herausgegeben von Yue-Wen Wang. Pearsons, USA