Gene, die ans Herz gehen

Ein Roboterarm nimmt mit 48 Pins DNA-Proben von Mikrotiter-Platten auf und überträgt sie auf einen Analysechip.

Maßgeschneiderte Therapien für Krankheiten wie Krebs oder angeborenen Herzfehlern gehören heute noch ins Reich der Science fiction. Gleichwohl ist der Grundstein für die Medizin der Zukunft gelegt:DNA-Chips haben in den vergangenen Jahren die Molekularbiologie einen Schritt vorangebracht. Mit solchen Microarrays spüren Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für molekulare Genetik normalen oder krankhaften Prozessen innerhalb von Zellen nach.

Allein in Deutschland kommen jährlich 6000 Kinder mit Herzfehlern auf die Welt – fast 20 am Tag. Damit sind Fehlbildungen des Herzens der häufigste Geburtsdefekt beim Menschen. Während früher die Patienten meist im Kindesalter starben, können Mediziner heute fast alle Herz- und Gefäßfehlbildungen durch Operation korrigieren. So erreichen die meisten der betroffenen Kinder inzwischen das Erwachsenenalter. Gleichwohl bleiben die Patienten lebenslang krank, da sich das Herz nicht heilen, sondern nur reparieren lässt.

„Obwohl die verschiedenen Formen der angeborenen Herzfehler schon lange bekannt sind, wussten wir bis vor kurzem fast nichts über die genetischen Ursachen“, sagt Silke Sperling vom Max-Planck-Institut für molekulare Genetik in Berlin. „Doch nun“, so die Ärztin, „haben wir die ersten molekularen Porträts von Herzfehlern mit klar umrissenen klinischen Bildern.“ Den Fortschritt – auch mit Blick auf neue therapeutische Optionen – verdankt Sperlings Team vor allem einem Werkzeug der Molekularbiologie, das in den vergangenen Jahren in der Szene der Molekularbiologen einen regelrechten Hype ausgelöst hat: den DNA-Chips oder Microarrays.

„Die Technik hat uns enormvorangebracht, weil man unglaubliche Mengen von genetischen Daten mit einem Schlag erfassen kann“, sagt die Wissenschaftlerin. Das ist einer der großen Vorteile dieser Microarrays: Sie beschleunigen die Erforschung normaler und krankhafter Prozesse in Zellen – und könnten auch eine genauere Diagnose vieler Erkrankungen wie Krebs ermöglichen (siehe Kasten). Zudem hofft die Branche mit weltweit einigen Dutzend Unternehmen, dass sich mit derartigen Chips eines Tages die individuelle genetische Ausstattung eines Patienten ermitteln lässt, um eine Therapie Maß zu schneidern. Doch so weit ist es noch lange nicht.

DNA-Chips nutzen eine Besonderheit des Erbmoleküls: die so genannte komplementäre Basenpaarung. In jeder Zelle – sei es von Rosen, Bienen, Heringen, Mäusen oder Menschen – sind die Gene verborgen, die als Bauanleitung für Proteine dienen. Jedes Gen besteht aus DNA mit einer genau festgelegten Reihenfolge chemischer Bausteine, den Basen Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin; in der Schreibweise der Genetiker wird die Basenabfolge durch die entsprechenden Anfangsbuchstaben A, C, G und T dargestellt.

Die vier Basen sind über ein „Rückgrat“ aus Zucker und Phosphat zu einer langen Kette verknüpft. In der DNA-Doppelhelix lagern sich zwei dieser Ketten aneinander und schrauben sich dann um eine unsichtbare zentrale Achse. Dabei können sich nur bestimmte Basen paaren: An einen Baustein mit Adenin lagert sich immer nur ein Baustein mit Thymin an und umgekehrt. Cytosin und Guanin bilden das andere komplementäre Basenpaar. Lautet die Sequenz auf einem Strang TGAATTCC, heißt die Abfolge auf dem anderen Strang folgerichtig ACTTAAGG.

Wenn man die DNA erhitzt, trennen sich die komplementären Stränge leicht voneinander. Jeder beliebige andere DNA-Strang kann sich – solange er die komplementäre Basenfolge aufweist – an einen derartigen DNA-Einzelstrang anlagern und ihn wieder zum Doppelstrang vervollständigen. „Genau auf diesem Prinzip der Hybridisierung beruhen viele biologische DNA-Testverfahren“, betont Claus Hultschig, ebenfalls Wissenschaftler am Berliner Max-Planck-Institut für molekulare Genetik. „Aber DNA-Chips erledigen abertausende solcher Messungen gleichzeitig.“ Das macht sie einzigartig. Dank der Entschlüsselung des menschlichen Erbguts im Rahmen des Humangenomprojekts kennt man inzwischen die Basen-Sequenzen fast aller Gene, die sich im Zellkern einer jeden Körperzelle befinden. Die entsprechenden DNA-Ketten lassen sich beliebig vervielfältigen und für verschiedene Analyse-Anwendungen als Einzelstrang fest auf den Chips verankern.

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