Die Information eines jeden Gens entspricht etwa dem Inhalt eines Buchs von 500 Seiten. Es enthält eine ähnliche Menge an Buchstaben und etwa 5 mal so viele Wörter, weil die Wörter der Gensprache kurz und präzise sind. Ähnlich wie ein Buch muss jedes Gen, wenn es benutzt wird, aufgeklappt werden, die Information wird entnommen, abgeschrieben (kopiert), und erst dann werden die Befehle durchgeführt. Wir tragen insgesamt etwa 100.000 Gene, so viele Gene also wie eine mittelgroße Bibliothek Bücher enthält. Jede einzelne Zelle im Körper trägt die ganze Bibliothek solange mit sich herum, wie sie einen Zellkern enthält. Dies schließt zum Beispiel weiße Blutzellen, Hautzellen, Zellen der Organe, Bindegewebe, Knochen und Muskeln ein. Nur wenige Zellen, rote Blutkörperchen zum Beispiel, haben keinen Zellkern. Braucht die Zelle ein Gen, um ihre Funktion erfüllen zu können, wird die Bibliothek im Zellkern benachrichtigt, das notwendige Gen aufgeklappt, gelesen, und die enthaltenen Befehle werden durchgeführt. Nun kommen wir zu der Frage, woher die Zelle weiß, wo das Gen im Zellkern, also das Buch in der Bibliothek zu finden ist. Aber erst sollten wir uns kurz mit der Sprache der Gene beschäftigen.

Abb. 1: Die Information in DNA-Sprache wird durch Buchstaben (ATGC) weitergegeben. A bindet an T und G bindet an C. DNA-Moleküle bestehen aus zwei komplementären Strängen. Der kodierende Strang wird in RNA-Sprache komplementär umgeschrieben, wenn das Gen geöffnet wird. Die RNA-Sprache benutzt das U anstatt das T. In RNA-Sprache besteht jedes Wort aus drei Buchstaben (Codons). Jedes Codon steht für eine (von 21 Aminosäuren).

Es gibt nur vier Buchstaben in der genetischen Sprache, nämlich das A, das C, das G und das T. Diese Buchstaben stehen für unterschiedliche Basen (Adenin, Guanin, Cytosin und Thymidin) der Desoxyribonukleinsäure (DNA). Die DNA-Basen sind so strukturiert, dass A mit T und G mit C zusammenpasst. Schon auswendig gelernt? Nur mit diesen vier Buchstaben werden alle Wörter in dieser Sprache geschrieben. Es hat sich weiterhin herausgestellt, dass jedes Wort in dieser Sprache nur drei Buchstaben lang sein kann (Abb. 1). Begabte Mathematiker werden sofort errechnen, dass in solch einer Sprache nur 64 Wörter überhaupt möglich sind, und so ist es in der Tat. Sie ist sogar noch simpler, denn wir verwenden nur 21 Wörter in dieser Sprache, was eine gewisse Redundanz erlaubt. Jedes 3-buchstabige Wort steht (kodiert oder “Codon”) für eine einzelne Aminosäure, und es werden nur 21 Aminosäuren verwendet, um jedes Eiweiß im Körper zu produzieren. Es ist so, als hätte ein Bauleiter nur 21 Sorten von Bausteinen, um ein Haus zu bauen. Die Vielfältigkeit der sämtlichen Lebewesen der Erde beruht also nur auf 21 Bausteinen. Die Information in den Genen wird mit Hilfe eines Lesestreifens abgelesen. Die DNA ist aus komplementären Strängen zusammengesetzt, und zwar so, dass ein T immer einem A und ein G immer einem C gegenüberliegen muss. Wenn sich die DNA-Stränge voneinander lösen, wird der kodierende Strang durch ein sofort gebildetes Ribonukleinsäure- (RNA)Molekül als Spiegelbild abgelesen. Leider kann die RNA mit dem Buchstaben T nichts anfangen und muss deshalb ein U verwenden. Dies soll uns aber nicht weiter stören. Das ganze Wörterbuch dieser Sprache passt auf eine Seite (Abb. 2). Man wird sofort die Redundanz dieser Sprache erkennen. Die Aminosäure Leucin wird zum Beispiel durch insgesamt sechs Wörter kodiert. Mutationen im letzten Buchstaben führen häufig zu keiner Veränderung, das heißt zu keinem Aminosäurenaustausch.

Die 100.000 Bücher (die Gene) mit Informationen sind sorgfältig in unserer Bibliothek (dem Genom) aufbewahrt, und jedes steht auf seinem richtigen Platz. Die Bibliothek ist in mehreren Gebäuden verteilt, wie das bei Universitätsbibliotheken oft der Fall ist. Beim Menschen haben wir 23 Paare von Gebäuden im Zellkern zur Verfügung, um unsere Bibliothek unterzubringen. Die Gebäude heißen Chromosome und sind numeriert von 1 bis 22 plus x oder y. Wir haben glücklicherweise zwei Kopien von jedem Genbuch, mit Ausnahme der x- und y-Chromosomen, von denen wir nur eine einzige Kopie jeden Gens haben. Diese beiden Chromosome x und y bestimmen auch unser Geschlecht. Nun gut – aber wie sind denn Sachen, Bücher oder Gene in dieser Bibliothek von 100.000 Büchern mit 300 Millionen Wörtern und 1.000 Millionen Buchstaben zu finden?

Stellen Sie sich vor, Sie möchten gern mal wieder etwas von Schiller lesen. Filius oder Töchterchen haben Ihre eigene Kopie längst verschleppt oder verschlampt, und Sie wenden sich jetzt an eine echte Bibliothek. “Ich hätte gerne Schillers ‘Wilhelm Tell’ “, sagen Sie der jungen Dame hinter dem Schalter. “Kein Problem”, erwidert diese. “Gehen Sie bitte hier zur Tür hinaus, in das nächste Gebäude gegenüber, im ersten Obergeschoss links finden Sie die deutschen Klassiker alphabetisch geordnet, und dort werden Sie Schiller in einer neuen Ausgabe finden”. Tatsächlich, in wenigen Minuten haben Sie das gewünschte Buch in der Hand und lichten den Lieblingstext mit dem Kopierer ab, der sich zufälligerweise auf demselben Stock befindet. Sie könnten, wenn Sie Zeit und genug Geld dabei haben, auch das ganze Stück kopieren.

Viel schwieriger ist es, wenn Sie sich den Titel des gewünschten Buches nicht merken können oder ihn gar nicht wissen. Manchmal hat man nur eine vage Idee oder nur einen Bruchteil des Buches im Kopf. Sie kommen also in die Bibliothek und kündigen an, Sie wollen nun ein Theaterstück von einem berühmten deutschen Schriftsteller lesen. Aber Sie ernten nur gelangweilte Blicke von den Bibliothekarinnen. “Ich glaube, es fängt an mit dem Satz: “Es lächelt der See, er ladet zum Bade”, behaupten Sie. Immer noch keine Resonanz von den Damen. “Nah am Ende heißt es in diesem Stück: “Durch diese hohle Gasse wird er kommen´”, erklären Sie, und sofort leuchten die Augen der älteren Bibliothekarin auf, die noch eine anständige Schule besuchen konnte. “Das kommt in Schillers Wilhelm Tell vor”, erklärt sie. Den finden Sie unter den deutschen Klassikern. “Gehen Sie bitte hier zur Tür hinaus, in das nächste Gebäude gegenüber, auf dem ersten Obergeschoss links finden Sie die deutschen Klassiker alphabetisch geordnet und dort werden Sie Schiller in einer neuen Ausgabe finden”. Und tatsächlich, in wenigen Minuten haben Sie wieder das gewünschte Buch in der Hand.

Abb. 2: Das Gen-Wörterbuch in RNA-Sprache besteht aus Wörtern mit jeweils drei Buchstaben (unter Benutzung von AUGC). Es könnte 64 Wörter in dieser Sprache geben. Wir benutzen aber nur 21. Hier ist die Redundanz der Sprache sofort zu erkennen. Die Aminosäure Leucin wird zum Beispiel durch 6 Wörter kodiert. Diese Eigenschaft erklärt auch, warum viele Mutationen nicht zu Aminosäurenaustausch führen.

In unserer genetischen Bibliothek sind wir auch in der Lage, Gene zu finden, von denen wir nur einen kleinen Bruchteil oder so gut wie gar nichts wissen. Wir müssen erst zur Bibliothek, das heißt, wir müssen die Zellen, wie zum Beispiel weiße Blutkörperchen, gewinnen und die Bibliotheken extrahieren. Wir müssen dann im nächsten Schritt dafür sorgen, dass die Bücher aufgeklappt werden. Das machen wir, indem wir die Zellkerne auf 96 Grad Celsius erwärmen. Dann geben wir das Spiegelbild unserer paar Sätze (“Es lächelt der See” würde also “See der lächelt Es”, und “Durch diese hohle Gasse” würde “Gasse hohle diese Durch”, heißen) ein. Übrigens, dieses Anhaften von Spiegelbildern an den Originaltext wird als Hybridisierung bekennzeichnet. Es gibt verschiedene Methoden, um die Hybridisierung anzuwenden, aber das Prinzip ist immer das gleiche.

Der nächste Schritt ist, den Kopierer einzustellen, so dass er alles zwischen diesen beiden Sätzen für uns kopiert. Dazu müssen wir lose Buchstaben und Kleber hinzufügen, und der Inhalt wird gehorsam kopiert. Einen Kleber haben wir in der Form eines Enzyms, die Polymerase. Es gibt verschiedene Sorten von Polymerase. Bei der Zellteilung werden die Gene, Chromosomen usw. durch die Wirkung einer tüchtigen Polymerase verdoppelt. Trotzdem können wir mit einer Kopie unseres Gens nur wenig anfangen, weil die Dinger einfach zu klein sind. Kein Problem, wir machen einfach mehrere Kopien. Wir schließen die Bücher, indem wir unsere Zellkernsuppe bis auf Raumtemperatur abkühlen lassen, und machen sie dann mit mehr Hitze wieder auf. Nun kopieren wir unseren Wilhelm Tell noch mal. Aus zweien sind nun vier Kopien geworden. Aus vier Kopien werden dann acht, aus acht 16, aus 16 werden 32, aus 32 werden 64 usw. Mit 64 Zyklen könnten wir mit dieser geometrischen Progression die ganze Stadt Berlin mit unserem Gen überfluten, aber soviel brauchen wir gar nicht; 25 bis 27 Zyklen sind völlig ausreichend. Diese neue Genkopiertechnik (der Terminus technicus für kopieren heißt übrigens Genklonierung) nennt man Polymerase-Kettenreaktion, und für sie ist vor kurzem ein Nobelpreis vergeben worden.

Wir haben vor, mit dieser und einer ähnlichen Technik jedes Gen im Menschen zu kopieren, zu lesen und dadurch dessen Funktion kennenzulernen. An diesem internationalen Projekt (human genome project) der Aufklärung des menschlichen Genoms, wird auch in Deutschland intensiv gearbeitet. Es wird unser Wissen über körperliche Vorgänge, vererbte Krankheiten, aber auch über Krebs und andere Volkskrankheiten enorm erweitern.

Die gleichen Gene sind bei verschiedenen Menschen alle etwas unterschiedlich. Bei mir heißt es vielleicht “Es lacht der See, er ladet zum Bade”, oder vielleicht “Durch diese leere Gasse wird er kommen”. Solche Veränderungen (Terminus technicus: Polymorphismen) ändern den Inhalt des Buches (Gens) nicht. Dennoch sind sie mit der Polymerase-Kettenreaktion sofort zu finden. Steht aber stattdessen, “Durch diese hohle Gasse wird er nicht kommen”, wird sich vielleicht die Geschichte so verändern, dass etwas ganz unerwartetes dabei herauskommt. So können wir Gene lesen und Veränderungen (Mutationen) feststellen. Die meisten Mutationen sind lapidar, andere dagegen können tödlich sein.

Zuletzt möchte ich die gesellschaftliche Bedeutung dieser Technik kurz schildern. Das ist vielleicht am besten zu machen, indem wir uns das phantastische Numerierungssystem der Genbibliothek kurz anschauen. Dieses Numerierungssystem besteht aus der sogenannten Satelliten-DNA. Diese Satelliten bestehen aus Buchstabenwiederholungen, die nicht in Aminosäuren kodiert werden. Diese Wiederholungen dienen einem uns nicht bekannten Zweck. Manche sind riesig und andere dagegen klein (sogenannte Mikrosatelliten). Die Satelliten (variable number of tandem repeats VNTR) und Mikrosatelliten kommen immer an den gleichen Stellen (loci) auf den Chromosomen bei allen Menschen auf dieser Erde (und anderswo) vor. Sie liegen zwischen den Genen oder sogar in den Genen selbst. Wir kennen zur Zeit etwa 1.000 Genorte, bei denen kleine Verschiedenheiten in diesen DNA-Wiederholungen (Polymorphismen) häufig vorkommen. Häufig ist eine CACA-Wiederholung. Es wäre so, als würde der Text unserer Geschichte – “Es lächelt der See” – auf einmal mit Unsinn – blah-blah, blah-blah – unterbrochen. Danach beginnt wieder der sinnvolle Text. Die Wiederholungen werden aber nicht in RNA und Aminosäuren umgesetzt. Mikrosatelliten stellen eine wundervolle Methode dar, um Gene zu finden. Wenn wir die Mikrosatelliten amplifiziert haben und dann durch ein Elektrophorese-Gel laufen lassen, laufen die langen langsamer als die kurzen. So können wir sie trennen und zuordnen.

Keine zwei Menschen auf dieser Erde haben das gleiche Erbgut – mit Ausnahme von eineiigen Zwillingen – und sogar diese sind nicht genau gleich. Die Wahrscheinlichkeit, dass sich zwei Menschen bei 10 oder 100 von diesen Gen-Markern ähneln, liegt bei eins zu einer Million. Die bei Richtern sehr beliebten Augenzeugen haben eine Fehlerrate von 10%! Sie werden sich an die Methode der Zahnmediziner erinnern, mit der man Menschen durch ihr Gebiss identifizieren kann. Mit der molekulargenetischen Technik kann man mit einer weitaus größeren Genauigkeit rechnen. Bei Überfällen, bei Vergewaltigung oder anderen Gewalttaten bleiben oft Blutspuren, Samen oder Hautfetzen unter den Fingernägeln der Opfer zurück. Theoretisch brauche ich nur einen einzelnen Zellkern, um eine molekulargenetische Untersuchung durchführen zu können. Ihnen ist sicherlich der Fall von O. J. Simpson, dem amerikanischen Football-Spieler, bekannt, der verdächtigt wird, seine Frau und ihren Freund umgebracht zu haben. Bei diesem Verbrechen ist viel Blut, nicht nur von den Opfern, sondern wahrscheinlich auch von dem Täter, hinterlassen worden. Simpson erlitt eine Handwunde am Tage des Mordanschlags. Wir können damit rechnen, dass der Fall mit hundertprozentiger Genauigkeit aufgeklärt werden kann. Ob das Gericht die Methode akzeptieren oder die Technik verstehen wird, wie Sie sie jetzt verstehen, ist noch ungewiss. Das Zellmaterial kann auch unter besonderen Umständen jahrelang auf eine Untersuchung warten. Beispiele dafür sind der österreichische Eismann, mumifizierte Pharaonen oder sogar im Harz (Bernstein) gefesselte Insekten, die nach 500 Millionen Jahren mit ihren heutigen Verwandten bezüglich ihres Erbguts verglichen werden können.

Schließlich bestehen auch andere Möglichkeiten und Überlegungen, was aus dieser Technik zu machen wäre. Wir haben bisher eine ganze Reihe von Genen indentifiziert und ihren Inhalt einigermaßen lesen können. Manche Veränderungen (Polymorphismen) an Genen assoziiert man mit Intelligenz oder Verhaltensweisen, die zu Gewalt, zu Alkoholismus oder zu Homosexualität führen. Diese Assoziationen sind jedoch schwach, von wenig aktueller Bedeutung und zum Teil auch völlig falsch. Dennoch beschäftigen sie die Regenbogenpresse, die mit großer Begeisterung über solche genetischen Untersuchungen berichtet. Stellen Sie sich vor, ein Kanzlerkandidat kommt zur Franz-Volhard-Klinik, um sich von mir seinen Cholesterinspiegel bestimmen zu lassen. Die MTA im Labor trennt die Zellen von dem Blutserum, aber anstatt – wie üblich – die Zellen zu vernichten, werden sie an ein skrupelloses Labor verkauft, in dem Genanalysen durchgeführt werden. Wenige Tage später heißt es in der Bild-Zeitung: “Genanalyse belegt: Kanzlerkandidat neigt zu Gewalt, zu Alkoholkonsum und zu Homosexualität; übrigens ist er doof”. So etwas läge tatsächlich im Bereich des Möglichen. Um dies zu verhindern, brauchen wir statt noch mehr Datenschutzgesetze und bürokratische Vorgängen vor allem eine aufgeklärte Bevölkerung.

Literatur
1Ross, D.W.: Introduction to Molecular Medicine (second edition) New York, Berlin, Heidelberg 1996.
2Thompson & Thompson: Genetics in Medicine Thompson, M.W., R.R. McInnnes, H.F. Willard (eds.) Philadelphia, 1991 (neue Auflage April 1999).
3Strachan, T., A.P. Read: Human Medical Genetics, Oxford, UK 1996.

Anschrift des Verfassers:
Prof. Dr. Friedrich Luft
Charité, Franz-Volhard-Klinik
Nephrologie und Hypertensiologie
Wiltbergstraße 50
13125 Berlin

Mit freundlicher Genehmigung der Medizinischen Verlagsgesellschaft Umwelt und Medizin mbH und der Stiftung für das behinderte Kind.