Warum wollen diese großen Wissenschaftler, von Darwin über Mendel bis Watson, die genetischen Geheimnisse des Lebens erfahren?

Einführung

Im Laufe der Geschichte gab es sowohl in China als auch im Ausland viele Diskussionen zum Thema Genetik. Von Linnaeus, Lamarck, Darwin bis Mendel und später Watson, Crick usw. haben Wissenschaftler schließlich das genetische Geheimnis des Lebens entdeckt: Es ist in den Genen verborgen.

In diesem Video stellen wir hauptsächlich die Themen „Was sind Gene?“ und „Welche Auswirkungen haben Genmutationen?“ vor. Unser Interviewgast ist Professor Gu Feng, Professor an der School of Medicine der Hunan Normal University und „Xiaoxiang Scholar“.

F: Welche Beziehung besteht zwischen Genen und Vererbung?

Gu Feng: Die Frage „Die Beziehung zwischen Genen und Vererbung“ ist eine grundlegende wissenschaftliche Frage in der Genetik. Beispielsweise ist die Körpergröße erblich bedingt. Wenn die Eltern groß sind, wird auch das Kind groß sein. Aus diesem Grund sind Nordeuropäer im Allgemeinen größer als Asiaten. Es hat eine genetische Grundlage.

Alle Merkmale unseres Körpers, einschließlich der Zähne in unserem Mund, der einzelnen Augenlider, der doppelten Augenlider und der Haut, hängen eng mit den Genen unserer Eltern zusammen. Eine repräsentative Arbeit ist Mendels Erbsenhybridisierungsexperiment. Durch die Kreuzung von Erbsen können wir feststellen, dass die Merkmale genetischen Gesetzen unterliegen.

Als nächstes kam Morgans Hybridisierungsexperiment mit Fruchtfliegen. Morgan führte einige genetische Forschungen durch, die den Grundstein für die weitere Entdeckung genetischer Gene durch morphologische Beobachtungen legten.

Morgan und das Fruchtfliegenexperiment

Natürlich waren es Watson und Crick, die schließlich herausfanden, was Gene sind. Sie interpretierten, was DNA ist, aus der Perspektive der DNA. Die beiden erklärten die Doppelhelixstruktur und die Schnittpaarung. Diese Arbeiten legten eine solide Grundlage für unsere spätere genetische Manipulation, und dies ist unser aktuelles Verständnis der DNA auf genetischer Ebene. Als nächstes sprechen wir über RNA. Das neue Coronavirus ist RNA. Als genetisches Material kann es kontinuierlich repliziert und an die nächste Generation weitergegeben werden. Natürlich unterscheiden sich Viren von unseren herkömmlichen Lebensformen wie E. coli, dem Nationalheiligtum Panda und Reis.

Kurz gesagt, von der ersten Entdeckung eines Gens bis zu seiner endgültigen Bestimmung gibt es mehrere wichtige Ereignisse, und diese Ereignisse sind für uns sehr wichtig, um die Genomeditierung voranzutreiben.

F: Wie ist die Struktur von Genen?

Gu Feng: Gene bestehen aus mehreren Komponenten:

Erstens haben Gene im Allgemeinen einen Promotor, der die Transkription des Gens steuert; zweitens enthalten Gene Exons und Introns. Das Genom eukaryotischer Zellen enthält sowohl Introns als auch Exons. Introns trennen benachbarte Exons, sodass ein Gen in mehrere verschiedene Transkripte transkribiert werden kann, wodurch eine genspezifische Regulierung erreicht wird; Drittens gibt es zusätzlich zu den gerade erwähnten Introns, Exons und Promotoren auch eine PolyA-Struktur am 3'-Ende des Gens, was bedeutet, dass die Transkription an einer bestimmten Position enden muss. Diese Teile sind die grundlegendsten Teile von Genen.

Bei menschlichen Genen besteht es hauptsächlich aus vier Basen: ATGC. Wenn es in RNA transkribiert wird, wird aus dem T ein U, für RNA ist es also AUGC. Dies ist der Unterschied zwischen DNA und RNA.
Wenn wir über Gene sprechen, erwähnen wir außerdem normalerweise auch die 5'-nicht-übersetzte Region und die 3'-nicht-übersetzte Region des Gens, die jeweils als 5'-UTR und 3'-UTR bezeichnet werden. Bei Genen handelt es sich dabei um regulatorische Elemente, die an unterschiedlichen Transkriptionsstartstellen transkribiert werden können und durch die Bindung bestimmter Faktoren über UTR die Aktivität der Gentranskription regulieren. Dies ist ein wichtiger Mechanismus der Genregulation.

F: Wie übertragen Gene genetische Informationen?

Gu Feng: Lassen Sie uns zunächst über die Chromosomen im Zellkern sprechen. Gene befinden sich in einem bestimmten Abschnitt auf einem bestimmten Chromosom. Bei der Zellerneuerung replizieren sich Gene, was die Frage der DNA-Replikation aufwirft. Es gibt auch einen entsprechenden Prozess für die Replikation von Mutterzellen in Tochterzellen, und dieser Prozess wird Mitose genannt.

Dann gibt es noch den Prozess, wie Gene auf Proteine ​​in unserem Körper einwirken. Bei diesem Prozess wird das Gen durch RNA-Polymerase in RNA transkribiert. Anschließend muss die RNA vom Zellkern ins Zytoplasma transportiert werden, was eine entsprechende Basenpaarung erfordert. Nachdem die RNA transkribiert wurde, muss sie zu reifer RNA werden. Reife RNA muss vom Zellkern ins Zytoplasma transportiert werden, wo sie schließlich mithilfe von Nukleinsäuren translatiert wird. Nach der Translation gelangt das Protein in den Zellkern. Wenn es in die Mitochondrien gelangen muss, verfügt es über ein mitochondriales Lokalisierungssignal, das ihm den Weg in die Mitochondrien ermöglicht. Wenn es hingegen im Zytoplasma bleiben muss, wird es im Zytoplasma lokalisiert.

Natürlich kann es sich hierbei auch um eine Proteinmodifikation handeln, und verschiedene Proteinmodifikationen können die Proteinaktivität regulieren. Beispielsweise ist Protein selbst ein Enzym, und wir können die Aktivität von Proteinen durch verschiedene Modifikationen wie Phosphorylierung und Acetylierung regulieren.

Wo immer Protein produziert wird, wird natürlich auch Protein abgebaut. Wenn wir ein bestimmtes Protein nicht wollen, können wir es durch Ubiquitinierung abbauen. Letztendlich wird dies ein dynamischer Prozess sein.

Wenn in diesem dynamischen Prozess etwas schief geht, beispielsweise wenn unsere Gene mutieren, dann mutieren auch die entsprechenden Proteine. Wenn beispielsweise ein Protein selbst in den Zellkern gelangen sollte, dies aber nach einer Mutation nicht erreichen kann, hat dies funktionelle Auswirkungen auf die Zelle.

F: Was ist eine genetische Mutation?

Gu Feng: Was die Frage der Genmutation betrifft, so hat sie eigentlich zwei Aspekte. Einerseits können Mutationen uns besser machen. Beispielsweise können Malariaparasiten uns nach einer Mutation nicht mehr infizieren oder die Infektionsrate ist sehr gering. Wir sollten nicht davon ausgehen, dass Mutationen zwangsläufig schlecht sind. Es ist sogar möglich, dass wir durch eine Mutation intelligenter werden.

Andererseits können Mutationen auch dazu führen, dass wir an Krankheiten leiden. Mutationen können, genau wie Impfstoffe, positive oder negative Auswirkungen haben. Im Prozess der Impfstoffproduktion können wir möglicherweise die Toxizität von Mikroorganismen verringern und Impfstoffe sicherer und wirksamer machen.

Es gibt verschiedene Theorien darüber, wie Mutationen im menschlichen Körper entstehen.

Erstens sind die Mutationen, die wir während der Produktion von Spermien und Eizellen erzeugen, sehr häufig. Da sich das Genom als Ganzes während der Meiose stark verändert, ist das Auftreten von Mutationen sehr wahrscheinlich, wenn es während der Meiose zu einer homologen Rekombination kommt.

Zweitens treten Mutationen hauptsächlich im Genitalbereich auf. Wir fanden heraus, dass keiner der Eltern die Mutation hatte, ihre Kinder jedoch schon. Wir nennen diese Art von Mutation eine „De-novo-Mutation“. Bei „Neumutationen“ ist der Einfluss des Vaters sehr groß. Je älter der Vater ist, desto mehr Mutationen werden seine Kinder haben. Dies ist der Einfluss des Vaters. Ebenso haben mütterliche Faktoren einen gewissen Einfluss. Beispielsweise findet während der Eiproduktion eine Meiose statt, und während der Meiose kommt es häufig zu entsprechenden Mutationen.

Drittens einige exogene Faktoren. So werden beispielsweise Strahlung und Ionenstrahlung im Weltraum sowie einige Medikamente, Mikroorganismen und insbesondere Viren in das Genom integriert und können schließlich entsprechende Krankheiten verursachen. Beispielsweise führt Hepatitis B letztendlich zu Leberkrebs, weil sie unsere Gene zerstört.

F: Können Sie uns etwas über das Humangenomprojekt erzählen?

Gu Feng: Wie der Name schon sagt, soll beim „Human Genome Project“ die Grundstruktur des menschlichen Genoms bestimmt werden. Beispielsweise geht es um die Bestimmung der Position von Genen, der Zusammensetzung von Genen usw. Die Arbeiten begannen in den späten 1990er Jahren und wurden während Clintons Präsidentschaft abgeschlossen.

Das menschliche Genom besteht aus etwa 3 Milliarden Basen. Die damalige Investition betrug einen Dollar pro Basis, was bedeutet, dass insgesamt 3 Milliarden US-Dollar in die Hoffnung investiert wurden, das menschliche Genomproblem zu lösen. Wenn wir die genomischen Probleme erst einmal verstehen, wird dies für die Diagnose und Behandlung nachfolgender Krankheiten von großer Bedeutung sein.

In unserem Land beteiligte sich damals der Akademiker Yang Huanming am „Human Genome Project“, und diese Arbeit war von großer Bedeutung. Natürlich lieferte dieses Projekt einerseits Beiträge, andererseits war aufgrund der damaligen technologischen Beschränkungen die Basisbestimmung einiger Genome nicht ganz klar. Mit dem technologischen Fortschritt der letzten zwei Jahre haben Forscher einige Sequenzen aktualisiert, die nicht eindeutig gemessen wurden.

Das Humangenomprojekt ist für unsere gesamten Biowissenschaften von großer Bedeutung. In diesem Prozess haben wir nicht nur eine Gruppe von Talenten gefördert, sondern auch unsere Fähigkeit zur internationalen Zusammenarbeit verbessert, was einen Meilenstein für die gesamte Disziplin darstellt.

F: Welche Auswirkungen hat das Humangenomprojekt?

Gu Feng: Der historische Beitrag des „Humangenomprojekts“ ist sehr groß, denn wir müssen die Dinge zuerst verstehen, bevor wir über ihre Transformation sprechen können. Das Lesen, Schreiben und Ändern (von Genen) ist also tatsächlich ein einheitlicher Prozess. Wenn wir die Gene nicht eindeutig lesen können, können wir sie nicht schreiben oder verändern. Das Humangenomprojekt bildete eine sehr solide Grundlage für die gesamte Disziplin.

Als ich mich vor einigen Tagen mit dem Akademiemitglied Li Jinsong vom Institut für Biochemie und Zellbiologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften über wissenschaftliche Forschung unterhielt, erzählte er mir, dass in seinem Labor eine Studie zur Markierung aller Gene von Mäusen durchgeführt werde. Diese Arbeit ist sehr aussagekräftig und kann als gutes Werkzeug verwendet werden.

Dieser Plan hat tatsächlich etwas mit dem „Humangenomprojekt“ zu tun. Wenn wir Mäuse für Forschungszwecke verwenden, fehlen uns häufig die entsprechenden Werkzeuge und genetischen Ressourcen, die alle Erweiterungen des „Humangenomprojekts“ sind.

Dies bedeutet nicht, dass das Humangenomprojekt und damit auch die Genomforschung beendet sind. Tatsächlich ist noch viel Nacharbeit nötig. Daher sind gute genetische Ressourcen, gute zugehörige Technologieplattformen und eine umfassende Talentausbildung für die gesamten Biowissenschaften von großer Bedeutung.

Dieser Artikel ist eine vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützte Arbeit

Team/Autor: Deep Science

Gutachter: Tao Ning, Assoziierter Forscher, Institut für Biophysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.