Was ist Molekularbiologie?

Die Zelle ist die kleinste Einheit unseres Körpers. In der Regel ist sie dazu in der Lage, sich zu vermehren, sich auf bestimmte Aufgaben zu spezialisieren und nach Ablauf einer bestimmten Zeit zu sterben. Ihr Verhalten wird dabei von Struktur und Funktion ihrer elementaren Bausteine bestimmt, den beiden Nukleinsäuren DNA (Desoxyribonukleinsäure) und RNA (Ribonukleinsäure) und den Proteinen (Eiweiße). Das Fachgebiet, das sich mit diesen Molekülen beschäftigt, ist die so genannte Molekularbiologie. Steht die DNA als Träger des Erbmaterials allein im Fokus molekularbiologischer Forschung, so sprechen Fachleute auch von molekulargenetischen Untersuchungen. Die Zytogenetik bezeichnet dagegen die Forschungsrichtung, die sich mit den Chromosomen, das heißt der gesamten Organisation des Erbmaterials, beschäftigt.

Die Erbinformation

Träger der Erbinformation einer Zelle ist die DNA. Diese besteht aus zwei langen Strängen, die über einander ergänzende ("komplementäre"), chemische Moleküle strickleiterähnlich miteinander verbunden sind. Die einzelnen Stränge bauen auf vier verschiedenen Einzelbausteinen auf, die sich durch jeweils eine von vier angehängten organischen Basen (Adenin, Thymin, Guanin, Cytosin) unterscheiden. Die Bausteine werden in variierender Reihenfolge zu einer langen Kette verknüpft, wobei die Abfolge die genetische Ausstattung eines Organismus festlegt. Gleich einem Morsealphabet kodieren so diese Moleküle für Anleitungen zum Bau von Proteinen (Eiweißen). Durch Erhitzen im Reagenzglas können die beiden DNA-Stränge voneinander getrennt werden. Jeder andere DNA-Strang kann sich nun – sofern er die entsprechende, ergänzende Basenfolge aufweist – an den einzelnen DNA-Strang wieder reißverschlussartig anlagern und so das DNA-Molekül vervollständigen (Hybridisierung). Auf dieser Eigenschaft des Erbmaterials beruht das Prinzip einiger DNA-Nachweismethoden, wie zum Beispiel der Genchip-Technologie oder der FISH-Analyse.

Abschnitte auf der DNA mit genetischer Information bezeichnen Fachleute als Gene. Diese enthalten vor allem die Baupläne der Proteine (Eiweiße). Die "Übersetzung" der Baupläne von der DNA ins Protein erfolgt nicht direkt an der DNA selbst, sondern über den Umweg eines "Negativabzug" des entsprechenden Protein-kodierenden DNA-Abschnitts, der einsträngigen Boten-RNA (englisch: mRNA, messenger RNA). Nicht alle Bereiche der DNA-Kette enthalten jedoch einen Bauplan für Eiweißstoffe; einige sind zum Beispiel für wichtige Regulationsprozesse innerhalb der Zelle notwendig.

Proteine haben für unseren Körper eine umfassende Bedeutung, da sie vielfältige Funktionen ausüben: Zum Beispiel geben Strukturproteine der Zelle ihre Form und sind am Aufbau des Bindegewebes, der Muskeln und der Haare beteiligt. Als Enzyme fördern und regulieren Proteine chemische Reaktionen und beeinflussen als Hormone den Stoffwechsel und die Fortpflanzung des Körpers. In der Immunabwehr spielen sie in Form von Antikörpern eine wichtige Rolle. Auch für die Reizweiterleitung im Nervensystem, das Wachstum, Reifen, Altern und Absterben von Zellen sind Proteine unentbehrlich.

Epigenetik: Struktur der Gene enthält auch Information

Die DNA liegt in der Zelle nicht einfach als langer Faden vor, sondern ist um spezielle Eiweißmoleküle gewickelt, ähnlich wie Haare auf Lockenwickler. Diese "Lockenwickler" sind wiederum aneinander gereiht und ergeben so ein Perlenketten-ähnliches Bild. Dabei ist das Erbmaterial aber nicht gleichmäßig dicht aufgerollt: So liegen Gene, die abgelesen werden sollen, in einer offeneren, gleichsam entpackten Form vor, während still gelegte Gene dichter verpackt sind. Verantwortlich für die Verpackung und damit für die Lesbarkeit oder Nicht-Lesbarkeit der genetischen Information sind chemische Markierungen, etwa durch Anbindung von Methylgruppen (Methylierung) an die DNA: Bereiche die markiert sind, liegen dichter verpackt vor und sind dadurch nicht zugänglich für den Ablese- und Übersetzungsapparat der Zelle. Nicht nur die Gene, sondern auch die übergeordnete Struktur des Erbmaterials scheinen daher für die Merkmale von Zellen verantwortlich zu sein. Die Wissenschaft, die sich mit dieser übergeordneten Struktur der Gene beschäftigt, ist die Epigenetik (epi = griechisch für über).




Auf allen Ebenen dieser Ordnung im genetischen Material der Zelle kann es zu Störungen kommen, die zur Entstehung von Krebs beitragen. Je länger ein Mensch lebt, desto wahrscheinlicher ist das Auftreten solcher "Fehler". Viele davon bleiben ohne Konsequenzen, weil die betroffenen Zellen absterben. Schafft es eine Zelle jedoch, sich trotzdem weiter zu teilen, kann aus Fehlern an und in der Erbsubstanz Krebs entstehen.

Ursachen der Krebsentstehung

Fehler in der DNA

Bleibende Veränderungen der DNA, so genannte Mutationen, sind nicht immer nachteilig. Ohne sie könnten sich Organismen zum Beispiel nicht an veränderte Umweltbedingungen anpassen; sie gelten daher auch als Motor der Evolution. Manchmal haben Mutationen aber auch gravierende Folgen und können zu schweren Erkrankungen wie zum Beispiel Krebs führen. Mutationen entstehen durch den Austausch, den Verlust oder das fehlerhafte Hinzufügen weiterer DNA-Bausteine in die Erbsubstanz,  wodurch sich die auf dem DNA-Faden gespeicherte Information verändern kann. Ebenso betreffen Veränderungen manchmal ganze Chromosomen: Teilt sich eine Zelle, so wird das Erbmaterial verdoppelt und auf die beiden Tochterzellen verteilt. Um die Verteilung besser zu kontrollieren, wird der lange DNA-Faden während der Zellverdoppelung aufgerollt und in eine übersichtlichere Struktur gebracht, die so genannten Chromosomen. Fehler dieser DNA-Struktur wie Brüche oder Neukombinationen (Translokationen) werden als Chromosomenmutation bezeichnet. Sie führen zu einer Umorganisation des Erbmaterials mit häufig schweren Folgen. Auf diese Weise entsteht etwa das so genannte Philadelphia-Chromosom, das in Leukämiezellen von Patienten mit Chronisch myeloischer Leukämie CML in 90 Prozent der Fälle nachgewiesen werden kann.

Da nicht jede Genmutation die auf der DNA enthaltene Information beeinflusst, haben Mutationen oft keine Konsequenzen für den Organismus. Die Zelle ist darüber hinaus meist dazu in der Lage, defekte Abschnitte der DNA-Kette selbst zu reparieren oder einzelne durch Mutationen mutationsbedingte Beeinträchtigungen auf anderem Wege auszugleichen. Kritisch wird es erst dann, wenn sich mehrere Mutationen ansammeln und Gene betroffen sind, deren Produkte dazu dienen, das Zellwachstum zu kontrollieren oder den programmierten Zelltod (Apoptose) auszulösen. In diesem Fall kann die Zellteilung außer Kontrolle geraten, alte oder krankhaft veränderte Zellen werden nicht mehr gezielt abgetötet und beginnen ungehindert zu wachsen. Auch können Mutationen das eigene Reparatursystem der Zelle lahm legen, so dass Schäden der DNA nicht mehr behoben werden und an die Tochterzellen weitergegeben werden.

Krebsauslösende Viren

Einige wenige Virusarten können dazu beitragen, dass eine Zelle entartet. Auch hier ist eine Veränderung der Erbsubstanz der zugrunde liegende Mechanismus. Viren sind für ihre eigene Vermehrung von der Fortpflanzungsmaschinerie einer Zelle (Wirtszelle) abhängig. Damit sich die Eindringlinge vermehren können, muss sich die Wirtszelle teilen und darf nicht absterben. Tumor auslösende (onkogenen) Viren besitzen manchmal die Eigenschaft ihr eigenes Genmaterial in die DNA der Wirtszelle einzubauen. Je nachdem, an welcher Stelle sie ihre Gene in das Erbmaterial der Zelle einfügen, kann dies unter Umständen zelleigene Gene beeinflussen, die für die Kontrolle der Zellteilung oder den programmierten Zelltod wichtig sind. Auch bringen manche onkogene Viren schon das nötige  "Werkzeug" mit in die Zelle, um diese unsterblich zu machen: Sie produzieren innerhalb der Zelle Eiweißmoleküle, die in die natürlichen Überwachungsmechanismen der Zelle eingreifen. Die Folge: Die Zelle ist  nicht mehr in der Lage, ihr Wachstum zu kontrollieren oder Selbstmord zu begehen.

Epigenetische Veränderungen

Die Epigenetik ist ein Forschungszweig, der sich mit der Verpackung der DNA beschäftigt. Wissenschaftliche Experimente auf diesem Gebiet zeigen, dass nicht allein die Abfolge der DNA-Bausteine für die Ausprägung eines Organismus verantwortlich ist. So enthält zwar jede menschliche Zelle das gleiche Erbmaterial, dennoch entwickeln sich manche Zellen zu Herz-, Leber- oder etwa Nervenzellen mit ihren sehr unterschiedlichen Funktionen. Auch die Art und Weise wie Gene im Zellkern verpackt sind, scheint daher über die Entwicklung der Zelle zu entscheiden. Doch die chemischen Veränderungen, die die Verpackungsstruktur bestimmen, sind flexibel und daher umkehrbar. So können durchaus auch äußere Einflüsse den Verpackungszustand des Erbmaterials beeinflussen und Gene aktivieren, die im gesunden Zustand ausgeschaltet sind oder umgekehrt. Betrifft dies Gene, die an der Kontrolle der Zellteilung oder dem Zelltod beteiligt sind, kann im Extremfall ein Tumor entstehen. Doch die Flexibilität birgt auch Vorteile, da falsch gesetzte Markierungen wieder rückgängig gemacht werden können. Die Epigenetik bietet daher neue Angriffspunkte für die molekulare Therapie von Krebserkrankungen.

Krebserkrankungen sind nur selten vererbbar

Die meisten Mutationen entstehen zufällig im Laufe des Lebens, zum Beispiel durch äußere Einflüsse wie UV-Strahlung, Rauchen oder Radioaktivität. Damit es jedoch zu einer Entartung kommen kann, müssen sich in einer Zelle mehrere Mutationen ansammeln. In der Regel sind vor allem die so genannten somatischen Zellen betroffen, deren genetische Information nicht an die Nachkommen weitergegeben wird. Nahezu alle Körperzellen sind somatische Zellen, mit Ausnahme der Keimzellen, zu denen Ei- und Spermienzellen gehören. Liegen Gendefekte in Keimzellen vor, so können diese an die nächste Generation weitervererbt werden. Experten gehen jedoch davon aus, dass nur fünf bis zehn Prozent aller Krebserkrankungen auf solche Keimbahnmutationen zurückzuführen sind.