Der Bauplan des Lebens: Gene? Es sind nicht nur die Gene!

Die Gewinnerarbeiten des „China Science Popularization Youth Star Creation Competition“ 2023

Autor: Yin Tao, Zheng Liyao

Gen, Vererbung, DNA … ich weiß nicht, seit wann diese Wörter, die ursprünglich Fachbegriffe aus den Bereichen Genetik und Biowissenschaften waren, häufig in den alltäglichen Gesprächen der Menschen auftauchen.

Aber wissen Sie, welche Beziehung zwischen DNA und Genen besteht? Worüber genau sprechen wir, wenn wir über Genetik sprechen? Dies ist die zugrunde liegende Logik hinter jedem Moment und jeder Bewegung von Ihnen und mir. Ohne ausgeklügelte genetische Mechanismen hätte sich das Leben nie zu dem entwickelt, was es heute ist.

Von Blaupausen zu „nur Blaupausen“

--Von der DNA zu den Genen--

Im Jahr 1953 veröffentlichten James Watson und Francis Crick einen Artikel in der Zeitschrift Nature, in dem sie das Doppelhelix-Strukturmodell der DNA vorschlugen, das einen wichtigen Meilenstein für das menschliche Verständnis des genetischen Mechanismus darstellte. Natürlich gab es auch Beiträge von Rosalind Franklin und Maurice Wilkins, deren frühe Forschungen wichtige Daten für diese geniale Antwort lieferten.

Um der Öffentlichkeit ein schnelles und intuitives Verständnis der DNA-Struktur zu ermöglichen, verwenden Wissenschaftler zahlreiche Alltagsgegenstände, um sie zu beschreiben. Beispielsweise wurde das DNA-Molekül als „Strickleiter“ beschrieben, bei der jede „Sprosse“ ein Basenpaar darstellt, das nach bestimmten Regeln gepaart ist. Diese wunderbare Metapher übersieht etwas im Prozess der Informationsvereinfachung, was zu einem Informationsverlust führt. Verglichen mit einer Strickleiter ähnelt ein DNA-Molekül eigentlich eher einem Reißverschluss, und die gepaarten Basen sind wie Reißverschlussschnallen, die ineinandergreifen. Dieser Reißverschluss muss übrigens an beiden Enden festgehalten und mehrmals gedreht werden, um die Spiralstruktur des DNA-Moleküls genauer zu simulieren.

Also, was sind Gene?

Ein Gen ist die Grundeinheit der Vererbung, im Allgemeinen eine Nukleotidsequenz, die ein oder mehrere spezifische Proteine ​​kodiert. (Bitte beachten Sie, dass die hier enthaltenen Informationen vereinfacht wurden und nicht streng sind.) Bei Nukleotiden handelt es sich um die Grundbausteine ​​von DNA- oder RNA-Molekülen, bei DNA-Molekülen um Desoxyribonukleotide und bei RNA-Molekülen um Ribonukleotide. Mehrere Nukleotide werden zu Nukleinsäuren polymerisiert. Kommt Ihnen das Wort „Nukleinsäure“ bekannt vor? Das stimmt. Bei dem „Nukleinsäuretest“, über den wir in den letzten Jahren oft gesprochen haben, handelt es sich um den Nachweis der Nukleotidsequenz der DNA- oder RNA-Moleküle des Virus. Dieser Test wird als Nukleinsäuretest bezeichnet.

-- Genom: Viel mehr als Gene --

Nach allgemeinem Verständnis zeichnen aus DNA bestehende Gene den „Bauplan“ des Lebens. Die dem Gen entsprechende DNA-Sequenz ist ein mysteriöser „genetischer Code“, in dem alle Geheimnisse des Lebens verborgen sind.

Um dies zu verdeutlichen, müssen wir uns kurz mit Chromosomen und Genomen befassen. Chromosomen sind wichtige Träger des genetischen Materials und können als „kleine Pakete“ betrachtet werden, die aus DNA und Protein bestehen. Im Jahr 1956 veröffentlichte der chinesisch-amerikanische Genetiker Jiang Youxing, der am Institut für Genetik der Universität Lund in Schweden arbeitete, eine Arbeit, in der er feststellte, dass menschliche Körperzellen 46 Chromosomen enthalten. (Zuvor war der amerikanische Arzt und Zytogenetiker Theophilus Painter zu dem Schluss gekommen, dass es 48 seien.) Dies war der Beginn der menschlichen Zytogenetik.

Die Zellen eines normalen Menschen enthalten 23 Chromosomenpaare, und die Gene sind Fragmente auf den Chromosomen, die über den Körper verstreut sind, manche nah beieinander, manche weit voneinander entfernt. Jedes Gen besteht aus einer DNA-Sequenz, die lang oder kurz sein kann. Sie wissen wahrscheinlich, dass das „Codebuch“ der DNA nur vier Buchstaben enthält, die durch ATGC dargestellt werden können (einschließlich der „nahen Verwandten“ und „Partner“-RNA, es gibt nur fünf Buchstaben, ersetzen Sie im RNA-Molekül einfach T durch U), entsprechend den vier Basen in der DNA-Molekülstruktur. Darüber hinaus ist die Paarungsmethode dieser Buchstaben sehr spezifisch. In den meisten Fällen erkennt A nur T (U) und C wird nur mit G gepaart.

Klingt zu einfach, um wahr zu sein, oder? Sie werden noch schockierter sein, wenn Sie folgende Tatsache bedenken: Dies ist im Grunde der genetische Code, den alle Lebewesen gemeinsam haben!

Kann ein so komplexes und vielfältiges Leben tatsächlich durch einen so einfachen Mechanismus bestimmt werden?

Beginnen wir von vorne: Die Gene bestehen aus DNA, richtig? Besteht also die gesamte DNA aus Genen?

Natürlich nicht.

Ich verstehe!

Wir müssen also zwei Fragen beantworten: Erstens, wie groß ist der Unterschied in der Anzahl der Gene zwischen verschiedenen Arten? die andere ist, aus welchem ​​DNA-Anteil die Gene bestehen.

Hier müssen wir zunächst den Begriff des Genoms erwähnen. Das Genom umfasst alle genetischen Informationen, die für die individuelle Entwicklung einer Art erforderlich sind. Beim Menschen kann man es sich einfach als die Informationen vorstellen, die von den DNA-Sequenzen auf allen Chromosomen getragen werden (auch hier handelt es sich um eine Vereinfachung). Beachten Sie, dass das Genom größer ist als ein Gen, sogar viel größer.

Der Mensch besitzt nur etwa 20.000 Gene. Als im Jahr 2001 der drei Milliarden Basenpaare umfassende Entwurf des menschlichen Genoms veröffentlicht wurde, waren die Menschen schockiert, denn die Zahl von 20.000 war weit entfernt von den etwa 100.000 Genen, die die Wissenschaftler vorhergesagt hatten. Mit anderen Worten: Der Mensch verfügt über etwa die gleiche Anzahl an Genen wie Labormäuse und nicht viel mehr als Würmer.

Der Anteil der DNA, aus der Gene bestehen, beträgt lediglich 2 % der gesamten menschlichen DNA-Sequenz! Das heißt, 98 % der DNA-Sequenzen im menschlichen Genom stellen keine Gene dar.

--Die Bedeutung „nutzloser DNA“--

Tatsächlich ist es nicht schwer zu verstehen, dass „nutzlose DNA“ komplexe und wichtige Funktionen hat. Denken Sie nur einmal darüber nach: Der Mensch verfügt über Fähigkeiten, die weit über die von Mäusen hinausgehen, und ist viel komplexer als Würmer, aber die Anzahl der Gene unterscheidet sich bei diesen drei Arten nicht sehr. und ein beträchtlicher Teil der menschlichen Gene findet sich als „entfernte Verwandte“ mit ähnlichen Funktionen im Genom anderer Organismen wieder. Daher ist es logisch, dass die „nutzlose DNA“, die 98 % des menschlichen Genoms ausmacht, von großer Bedeutung ist, oder?

Bildquelle: „Invisible Genetic Code“ von Nisha Carey, CITIC Publishing Group, Ausgabe April 2023

Dies ist jedoch nur unsere Einschätzung im Nachhinein. Die Wissenschaftler, die diese genomischen „dunklen Materien“ entdeckten, müssen damals sehr enttäuscht gewesen sein, denn sie nannten die DNA außerhalb dieser Gene „Junk DNA“, was übersetzt „Schrott-DNA“ oder „nutzlose DNA“ bedeutet und ihre Enttäuschung und Verwirrung zum Ausdruck bringt. Damals hatten die Menschen das Gefühl, dass wertvolle Gene wie auf einer Müllhalde lebten und die verbleibenden DNA-Sequenzen lediglich „Unsinn“ des Genoms zu sein schienen, „verstümmelter Code“, der in Basenpaaren geschrieben war und keinerlei praktische Funktion hatte.

„Nutzlose DNA“ war lange Zeit in der Ecke der genetischen Forschung vergessen und niemand schenkte ihr Beachtung, bis einige Fälle abnormaler Genetik die Wissenschaftler daran erinnerten, sie erneut zu untersuchen. Beispielsweise gibt es eine dominante genetische Erkrankung, die allgemein als „Peter-Pan-Krankheit“ bekannt ist (fazioskapulohumerale Muskeldystrophie, abgekürzt „FSHD“), und Wissenschaftler konnten das entsprechende krankheitsverursachende Gen nicht finden. Diese Krankheit ist in der westlichen Bevölkerung nicht ungewöhnlich; die Inzidenzrate beträgt etwa 1/20.000. Es verhindert, dass die Betroffenen normal lächeln können und führt dazu, dass sich die Schulterblätter und andere Körperteile des Patienten verformen, sodass sie wie zwei kleine Flügel aussehen. Charakteristisch für dominante genetische Erkrankungen ist, dass mindestens ein Elternteil des Patienten erkrankt sein muss, sodass die Suche nach dem krankheitsverursachenden Gen teilweise einfacher sein sollte. Wissenschaftler fanden zwar eine extrem lange repetitive Sequenz auf dem Chromosom 4 des Patienten, aber seltsamerweise ist das nicht der Ort, an dem sich das Gen befindet. Sie haben es sicher schon erraten: Dies ist die „nutzlose DNA“-Sequenz, die als Müll angesehen wird. Weitere Untersuchungen zeigten, dass es entscheidend war, wie oft eine Sequenz von „Junk-DNA“ wiederholt wurde.

Wir werden nicht auf die Einzelheiten dieser Studie eingehen. Obwohl die klinischen Symptome von FSHD-Patienten bereits 1885 von französischen Neurologen beschrieben wurden und die rasante Entwicklung der Genetik und der zellulären Forschungstechniken große Fortschritte in unserem Verständnis der Krankheit ermöglicht hat, wies eine 2010 in der Fachzeitschrift Science veröffentlichte Studie darauf hin, dass der zugrunde liegende genetische Mechanismus der Krankheit noch immer schwer zu fassen ist. Gene sind zwar eine Blaupause, aber sie sind eben nur eine Blaupause.

Blueprint-Implementierung, Genexpression

Unser Leben beginnt mit einer einzelnen Zelle (einer befruchteten Eizelle). Sofern keine besonderen Umstände vorliegen, verfügt jede Zelle im Körper über eine identische Kopie der DNA-Sequenz, in jeder Zelle funktioniert jedoch nur eine Teilmenge der Gene. Das ist nicht schwer zu verstehen. Die Gene, die in Ihren Gehirnzellen und Muskelzellen arbeiten, müssen unterschiedlich sein. Der in der DNA-Sequenz des Gens aufgezeichnete genetische Code wird durch Botenmoleküle namens RNA übertragen und übersetzt und wird zu Proteinen mit unterschiedlichen Aminosäuresequenzen, um eine Funktion zu erfüllen. Dieser Vorgang wird als Genexpression bezeichnet. Selbst der komplizierteste genetische Code ist nutzlos, wenn er nicht ausgedrückt werden kann.

Wissenschaftler brauchten Jahrzehnte, um zu erkennen, dass die einst als Müll angesehene „nutzlose DNA“ tatsächlich eine unvorstellbar wichtige Rolle im Genexpressionsprozess spielt. Einige „nutzlose DNA“-Fragmente sind Genschalter, die bestimmen können, ob das Gen funktioniert; einige „nutzlose DNA“-Fragmente spielen eine modifizierende Rolle. Von ihnen hängt es ab, wie viel von der ursprünglichen Bedeutung ein „Satz“ ausdrücken kann, der von einem Gen geschrieben wurde, das mit einer bestimmten Funktion oder Eigenschaft in Zusammenhang steht.

Wenn jede Zelle im Körper den in der DNA-Sequenz gespeicherten genetischen Code liest, spielt die „nutzlose DNA“ aufgrund der unterschiedlichen Umgebungen, in denen sich die Zellen befinden, eine andere Rolle, die Expression von Genen wird beeinflusst und dasselbe Skript führt in verschiedenen Szenarien zu unterschiedlichen Leistungen. Dies ist das Forschungsgebiet einer neuen Wissenschaft namens Epigenetik .

--Von Telomeren zu Pangenomen--

Wenn wir fragen, ob der Erfolg eines Menschen von der Natur oder der Erziehung bestimmt wird, werden verschiedene Menschen unterschiedliche Antworten geben, es dürfte jedoch eine ganze Reihe von Menschen geben, die der Antwort „Natur + Erziehung“ zustimmen würden. Das Gleiche gilt für jede unserer Zellen. Möglicherweise haben Sie schon einmal den Begriff „Telomer“ gehört, der eine Art „ungenutzte DNA“ bezeichnet. Wenn Sie sich jedes Chromosom als einen Schnürsenkel vorstellen, sind die Telomere wie die Metallstopfen am Ende der Schnürsenkel, die sich mit der Zeit abnutzen. Wenn die Metallplatten abgenutzt sind, lösen sich die Schnürsenkel auf und lassen sich nur noch schwer in die Löcher einfädeln. und der Verschleiß der Telomere bedeutet, dass der Organismus schwächer wird. Welche Faktoren hängen also mit der Gesundheit der Telomere zusammen? Die Antwort liegt im Zusammenspiel zwischen genetischer Veranlagung und erworbenem Lebensstil. Die Gene eines jeden Menschen beeinflussen die Länge seiner Telomere bei der Geburt und die Geschwindigkeit, mit der sie sich abnutzen. was Sie essen, wie Sie täglich schlafen, wie viel Bewegung Sie treiben, wie Sie sich fühlen, ob Sie eine stabile emotionale Verbindung zu den Menschen um Sie herum pflegen … Jede Interaktion mit der Außenwelt hat mehr oder weniger große Auswirkungen auf Ihre Telomere.

In ihrem gemeinsam verfassten Buch „Telomeres“ schrieben Elizabeth Blackburn, Nobelpreisträgerin für Physiologie oder Medizin 2009, und Eliza Ipal, Leiterin des Center for Aging, Metabolism, and Mood an der University of California in San Francisco: „Die Gene laden die Waffe, und die Umwelt drückt den Abzug.“ Dies ist auch eine treffende Metapher, insbesondere wenn es um Gesundheit und Krankheit geht.

Im Mai 2023 wurde der erste Entwurf des menschlichen „Pangenoms“ in der Zeitschrift Nature veröffentlicht. Zwanzig Jahre nach der Veröffentlichung der ersten menschlichen Genomkarte umfasst das Pangenom die genetische Vielfalt verschiedener Regionen und ethnischer Gruppen. Wir haben Grund zur Annahme, dass die Epigenetik hierzu einen erheblichen Beitrag geleistet hat.

Wenn Sie das nächste Mal sehen, wie ein Baby auf wundersame Weise in verschiedenen Wachstumsphasen einzigartige Fähigkeiten entwickelt, Menschen erkennen kann, stolpernd laufen lernt und durch Plappern sprechen lernt, seufzen Sie nicht einfach und sagen Sie, das Leben habe seine eigenen eingebauten Programme. Schließlich entwickeln verschiedene Babys die gleiche Fähigkeit früher oder später; Sie entwickeln Schritt für Schritt ihre eigene, einzigartige Persönlichkeit und jedes Kind ist einzigartig. Wenn wir über den Bauplan des Lebens sprechen, denken Sie bitte darüber nach. Nicht nur genetische Faktoren, sondern auch Ihr Lebensstil, die Umgebung, in der Sie leben, und die Interaktionen mit den Menschen um Sie herum sind ausschlaggebend dafür, welche Art von Arbeit dieser Bauplan hervorbringen kann.

Quellen:

1. Nisha Carey: Der unsichtbare genetische Code, übersetzt von Zhu Jinjie, CITIC Publishing Group, 2023.

2. Cobb M, Comfort N. Was Rosalind Franklin wirklich zur Entdeckung der DNA-Struktur beigetragen hat. Natur. 2023 Apr;616(7958):657-660. doi: 10.1038/d41586-023-01313-5.

3. Lemmers RJ, van der Vliet PJ, Klooster R, et al. Ein einheitliches genetisches Modell für die fazioskapulohumerale Muskeldystrophie. Wissenschaft. 2010, 329(5999):1650-1653.

4. Zhang Cheng, Li Huan. Forschungsfortschritt der fazioskapulohumeralen Muskeldystrophie[J]. Chinesisches Journal für moderne neurologische Erkrankungen, 2019 19(5):13.

5. Elizabeth Blackburn und Eliza Ipal: Telomere, übersetzt von Fu He, Hunan Science and Technology Press, 2021.

6. Liao WW, Asri M, Ebler J, et al. Ein Entwurf einer Referenz zum menschlichen Pangenom. Natur. 2023, Mai;617(7960):312-324. doi: 10.1038/s41586-023-05896-x. Epub 2023, 10. Mai.