ZELLE
Die Zelle ist der Grundbaustein aller Lebewesen. Sie ist die kleinste unabhängige Einheit, die sich reproduzieren kann. Alle Organismen - mit Ausnahme der Viren - bestehen aus einer oder mehreren Zellen. Ein erwachsener Mensch besteht aus etwa 100 Billionen Zellen. Jede einzelne dieser Zellen (ausser den Samenzellen, den Eizellen und den roten Blutkörperchen) enthält im Zellkern das menschliche Genom, das heisst den kompletten Plan für Bau und Betrieb des jeweiligen menschlichen Körpers.
Deshalb liesse sich mit speziellen Techniken aus jeder beliebigen Zelle wieder ein vollständiger Mensch erzeugen (Klonen). Das berühmte Schaf Dolly wurde zum Beispiel Mitte der neunziger Jahre aus einer Euterzelle seiner Mutter geklont.
Obwohl in jeder Zelle eines Menschen also die Bauanleitung für den ganzen Menschen steckt, unterscheiden sich die einzelnen Zellen und haben unterschiedliche Aufgaben: Manche Zellen besorgen den Haarwuchs, andere bilden Zähne oder entgiften den Körper - insgesamt besitzt der Mensch mindestens 250 Zelltypen. Noch einige Tage nach der Befruchtung sind die Zellen des menschlichen Embryos jedoch alle gleich. Diese embryonalen Stammzellen haben die Fähigkeit, Nieren, Haut, Nervenfasern oder jedes beliebige andere Körpergewebe zu bilden. Das macht sie in der Medizin für die Züchtung von menschlichen Geweben und Organen interessant. Im Mutterleib teilen sich diese Stammzellen immer weiter. In jeder einzelnen von ihnen werden nun unterschiedliche Gene ein- oder ausgeschaltet - die Zellen in jedem dieser entstehenden Gewebe benötigen andere Teile des genetischen Bauplans, um ihre spätere Aufgabe erfüllen zu können. So müssen Leberzellen nicht bei Denkprozessen mitwirken, während Gehirnzellen nicht im Stande sein müssen, Alkohol abzubauen.
Jedes Gen muss nicht nur im richtigen Zelltyp, sondern auch zum richtigen Zeitpunkt und im richtigen Mass aktiviert werden. Es gibt Gene, die in fast allen Zellen ständig wirksam sind, zum Beispiel solche, die für den Zellstoffwechsel wichtig sind. Andere Gene werden nur für kurze Zeit und nur in ganz bestimmten Zellen benötigt, zum Beispiel jene Gene, die für die Bildung von Milcheiweissen in der Muttermilch zuständig sind. Oder dann büssen Gene, die jahrzehntelang in einem Zelltyp aktiv waren, nach und nach an Aktivität ein. Haarzellen verlieren zum Beispiel ihre Farbe, das Resultat ist silberweisses Haar.
GENE
Gene sind Bauanleitungen für Eiweisse (auch Proteine genannt). Eiweisse sind die Moleküle, die Leben möglich machen. Der menschliche Körper (Muskeln, Sehnen, Knochen) besteht zu einem grossen Teil aus Eiweissen, und Eiweisse erhalten die Körperfunktionen aufrecht. Als Enzyme beschleunigen sie den Stoffwechsel, als Antikörper spüren sie eindringende Keime auf. Auch Hormone wie Testosteron, Östrogen oder Insulin sind Eiweisse. Die Anleitung, wie diese Eiweisse aus Molekülen zusammengebaut sind, steckt in den Genen.
Wie ist dieser Bauplan in der Zelle abgelegt? Im Zellkern gibt es ein langes Molekül, das man sich als verdrehte Strickleiter (deshalb der Name Doppelhelix) vorstellen kann: die Desoxyribonukleinsäure, kurz DNS oder englisch DNA. Die Sprossen dieser Strickleiter bestehen aus Paaren der vier Basen Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T). Die Abfolge dieser Basenpaare sagt der Zelle, wie sie ihre Eiweisse zusammensetzen muss. Diese Verschlüsselung nennt man den genetischen Code.
Die Basenfolge («Sprossenfolge») Adenin-Thymin-Guanin (ATG) bedeutet zum Beispiel, dass hier die Bauanleitung (das Gen) für ein Eiweiss beginnt, bei Thymin-Guanin-Adenin (TGA) hört sie auf. Alles, was dazwischen liegt (ATTGTCCTAG . . . ), bestimmt, aus welchen Molekülen das Eiweiss besteht. Ein kleines Gen ist etwa 3000 Basen lang, ein grosses mehrere hunderttausend. Die Gene sind hintereinander auf der DNA angeordnet - zum Teil mit grossen Zwischenräumen aus Basenpaarfolgen, die keine Gene sind.
Würde man die DNA einer Zelle aufdröseln, wäre sie fast zwei Meter lang. Sie ist jedoch aufgewickelt in 23 im Zellkern verpackten Chromosomenpaaren, die jeweils aus zwei Chromosomen bestehen: einem von der Mutter und einem vom Vater.
Die genaue Zahl der menschlichen Gene ist unbekannt. Fachleute schätzen, dass es zwischen 30 000 und 150 000 Gene sind. Zum Vergleich: Eine Fruchtfliege hat 14 000 Gene, ein Fadenwurm 19 000, eine Hefezelle 7000. Es mag überraschen, dass man nicht weiss, wie viele Gene der Mensch hat, haben Forscher doch vor wenigen Monaten bekanntgegeben, das menschliche Genom sei jetzt komplett entschlüsselt. Das war ein bisschen voreilig. Was man heute kennt, ist die Abfolge der etwa drei Milliarden Basenpaare («Sprossen») auf der Strickleiter. In diesem Buchstabensalat müssen jetzt noch die einzelnen Gene gefunden werden. Und selbst dann weiss man noch nicht, welche Funktion die entsprechenden Eiweisse haben.
Ob Spinne oder Ratte, Regenwurm oder Haifisch, Schimmelpilz oder Tulpe, Darmbakterium oder Mensch: Sie alle benutzen den gleichen genetischen Code und produzieren ihre Eiweisse nach demselben Prinzip. Das legt die Vermutung nahe, dass alle Lebewesen von einem gemeinsamen Vorfahren abstammen.
VERERBUNG
Die genetische Ausstattung jedes Menschen wird im Augenblick der Zeugung festgelegt. Die Verschmelzung von Spermium und Eizelle erzeugt ein genetisch einzigartiges Individuum. Diese Einzigartigkeit basiert darauf, dass bei der sexuellen Fortpflanzung Gene durcheinandergewürfelt werden. Das geht folgendermassen vor sich: Normalerweise enthält jede Zelle des Menschen zwei vollständige Sätze von Genen, von denen einer vom Vater, der andere von der Mutter stammt. Diese Gensätze sind in 23 Chromosomenpaaren verpackt. Eine Körperzelle hat also im Ganzen 46 Chromosomen. Bei der Produktion der Keimzellen werden diese so verteilt, dass Ei- und Samenzellen bloss noch je 23 Chromosomen besitzen - von jedem Paar eines. Dabei ist es Zufall, ob das mütterliche oder das väterliche Chromosom eines Paares in eine bestimmte Keimzelle übernommen wird. Zudem tauschen die Chromosomenpaare, noch bevor sie verteilt werden, untereinander Gene aus. Die Vermischung von Genen bei der Produktion von Ei und Samen ist dafür verantwortlich, dass ein Kind den Mund der Mutter und die Haare des Vaters erben kann, während die Nasenform eine Mischung von beiden ist.
Jeder Mensch besitzt also zwei Gene für jedes Merkmal, eines vom Vater und eines von der Mutter. Diese Genvarianten heissen Allele. Sind die beiden Allele voneinander verschieden, so bestimmt das dominante Allel, wie ein bestimmtes Merkmal in Erscheinung tritt. Das Allel «spitzer Haaransatz» beispielsweise dominiert über das Allel «gerader Haaransatz», folglich laufen die Haare eines Menschen mit diesen beiden Genvarianten spitz in die Stirn. Die meisten körperlichen Merkmale des Menschen aber sind von mehreren Genen beeinflusst, so die Haarfarbe, die Ohrform oder die Augenfarbe. Zudem werden viele der Merkmale auch von der Umwelt und den Gewohnheiten eines Menschen mitbestimmt. Das Körpergewicht beispielsweise hängt stark von der Ernährung ab.
Die Gene für die äusserliche Gestalt des Menschen machen nur einen geringen Teil des Erbguts aus: Auch wenn sich jeder Mensch äusserlich vom andern unterscheidet, sind die Gene aller Menschen zu weit über 99 Prozent identisch.
Die Gene ihrerseits machen jedoch nur einen geringen Teil der DNA aus. In gewissen Regionen der restlichen DNA sind die Unterschiede von Mensch zu Mensch enorm. Diese Unterschiede machen es möglich, mit dem genetischen Fingerabdruck, auch DNA-Profil genannt, einzelne Zellen (Blut, Hautzellen, Speichel) einem bestimmten Menschen zuzuordnen. Der genetische Fingerabdruck wird oft bei der Verbrechensbekämpfung und für Vaterschaftstests eingesetzt.
Heute sind etwa 5000 Gene bekannt, die zu Krankheiten führen können. Die Zystische Fibrose zum Beispiel kommt in jenen Menschen zum Ausbruch, die von Vater und Mutter je eine defekte Variante eines bestimmten Gens erben. Menschen, die eine normale und eine defekte Variante besitzen, erfahren oft gar nicht, welche Gefahr ihr Erbgut birgt. Nur wenn sie zufällig mit einem Menschen mit dem gleichen genetischen Defekt Kinder haben, besteht eine 25prozentige Wahrscheinlichkeit, dass ein Kind zwei Kopien des defekten Gens bekommt und die Krankheit ausbricht.
Es gibt sogenannte DNA-Chips, mit denen sich das Erbgut auf Fehler testen lässt. Ein solcher DNA-Chip ist ein Plättchen von wenigen Quadratzentimetern Grösse, auf das Blut, Urin oder Speichel aufgetragen wird. Theoretisch liesse sich damit das Erbgut auf mehrere tausend Gene testen. So können beim noch gesunden Menschen Gene oder Genveränderungen (Mutationen) identifiziert werden, die im späteren Leben zu Erkrankungen führen können. Die Präimplantationsdiagnostik ermöglicht es, im Reagenzglas gezeugte Embryonen auf Erbkrankheiten zu testen. Damit soll verhindert werden, dass Embryonen mit einem genetischen Schaden in die Gebärmutter eingepflanzt werden und Kinder mit einer Erbkrankheit zur Welt kommen. Dieses Verfahren ist umstritten, unter anderem weil unklar ist, was überhaupt als genetischer Schaden gelten soll. Gehörlosigkeit wird zum Beispiel allgemein als Behinderung angesehen, doch viele gehörlose Menschen empfinden sich nicht als Behinderte.
Es gäbe auch die Möglichkeit, die Weitergabe fehlerhafter Gene nicht grundsätzlich zu verhindern, sondern sie mit einer somatischen Gentherapie zu behandeln: Gendefekte sollen direkt in den betroffenen Zellen, Geweben oder Organen behoben werden. Dabei wird ein korrekt funktionierendes Gen an die beschädigte Stelle im Körper eingeschleust. Es soll dort die Bauanleitung für ein Eiweiss nachliefern, das der kranke Körper auf Grund des Gendefekts selbst nicht produzieren kann. So könnte etwa den Inselzellen in der Bauchspeicheldrüse von Zuckerkranken das Gen für Insulin eingeschleust werden. Die somatische Gentherapie wirkt nur in den dafür vorgesehenen Körperzellen des Organismus. Die durch die Eingriffe erfolgten genetischen Veränderungen werden also nicht an die nächste Generation vererbt.
Das ist bei der Keimbahn-Gentherapie anders: Mit dieser Behandlung soll ein Gendefekt ein für allemal in den Keimbahnzellen behoben werden, welche die Samen- und Eizellen produzieren. Damit wäre die gesamte Nachkommenschaft für immer von der Erbkrankheit befreit. Die Keimbahn-Gentherapie ist umstritten, weil ihre langfristigen Folgen für spätere Generationen nicht absehbar sind.
Die somatische Gentherapie befindet sich im Versuchsstadium. Die Keimbahn-Gentherapie wird im Moment nirgends offiziell angewendet.
Krankheiten wie Bluthochdruck, Herzleiden, Schlaganfall, Diabetes oder Krebs basieren auf einem komplizierten Wechselspiel zwischen verschiedenen Genen und der Umwelt. Gleiches gilt für das Verhalten: Heute suchen Wissenschafter nach Genen, die für eine Veranlagung zu Alkoholismus, Kriminalität oder besonders hoher Intelligenz mitverantwortlich sein könnten. Dabei wird oft salopp von einem «Intelligenzgen» oder einem «Gen für Alkoholismus» gesprochen. Es ist möglich, dass ein Gen über «sein» Eiweiss den Stoffwechsel im Gehirn auf die eine oder andere Weise beeinflusst und so gewisse Verhaltensweisen wahrscheinlicher macht als andere. Aber darüber weiss man heute erst sehr wenig.
GENTECHNIK
Mit Hilfe der Gentechnik können Wissenschafter gezielt Gene aus dem Erbgut eines Organismus herausschneiden und diese einem anderen einverleiben. Auf diese Weise ist es möglich, menschliche Eiweisse nach dem Bauplan einzelner Gene in reiner Form und in beliebiger Menge zu gewinnen. Das interessiert vor allem die pharmazeutische Industrie, weil viele Eiweisse als Medikamente eingesetzt werden können. Zum Beispiel das Hormon Insulin, das den Blutzucker verarbeitet. Um sich die Nutzungsrechte auf diese Medikamente zu sichern, versuchen die Medikamentenhersteller, Gene zu patentieren. Ob Patente auf Gene vergeben werden sollen, ist umstritten.
Um menschliche Eiweisse herzustellen, macht sich die Gentechnik zunutze, dass sich die genetischen Codes von Menschen und Bakterien so ähnlich sind, dass die molekulare Maschinerie von Bakterien viele menschliche Gene zu lesen vermag. So haben Forscher aus dem Erbgut des Menschen das Insulin-Gen herausgeschnitten, in das Genom eines Bakteriums eingebaut und die Mikroben dazu gebracht, das ihnen fremde Eiweiss zu produzieren. Humaninsulin ist zu einem wichtigen Medikament zur Behandlung von Diabetes mellitus, der Zuckerkrankheit, geworden. Nach dem gleichen Prinzip werden auch viele andere Eiweisse hergestellt: zum Beispiel das Blutbildungshormon Erythropoietin (EPO), immunologisch wirksame Interferone oder Eiweisse, die für die Wundheilung wichtig sind. Doch da in Bakterien nicht alle therapeutisch wirksamen Eiweisse produziert werden können, betreiben Gentechniker inzwischen auch das sogenannte Gene-Pharming. Beim Gene-Pharming sollen milcherzeugende Tiere wie Schafe oder Kühe mit gentechnischen Methoden dazu gebracht werden, das erwünschte menschliche Eiweiss direkt in ihrer Milch zu produzieren. Der Wirkstoff kann dann daraus gewonnen werden.
Mark Livingston ist Wissenschaftsjournalist. Er lebt in Muri AG.