Was ein kleiner Nematode über unsere Gene verrät

Im Menschen ist der Wurm drin

Der Fadenwurm Caenorhabditis elegans - hier eine elektronenmikroskopische Aufnahme des ein Millimeter großen Bodennematoden. Bild vergrößern
Der Fadenwurm Caenorhabditis elegans - hier eine elektronenmikroskopische Aufnahme des ein Millimeter großen Bodennematoden.

„Nahezu alle klassischen Probleme der Molekularbiologie sind entweder gelöst oder werden in den nächsten zehn Jahren gelöst“, schrieb Sydney Brenner 1963 in einem Brief an seinen Chef Max Perutz, den damaligen Leiter des Laboratory of Molecular Biology im englischen Cambridge. Und er führte weiter aus: „Ich denke, die Zukunft der Molekularbiologie liegt in der Ausweitung der Forschung auf andere Gebiete, vor allem das der Entwicklungsbiologie.“

Die wesentlichen Arbeiten zur DNA-Verdopplung (Replikation) und ihrer Abschrift in die entsprechende Boten-RNA (Transkription) waren in den 1950er-Jahren an Bakterien und Viren durchgeführt worden. Brenner war auf der Suche nach einem Untersuchungsobjekt, das sich ebenso einfach handhaben lässt. Dabei stößt der damals 35-Jährige auf den Fadenwurm Caenorhabditis elegans: „Wir benötigen einen vielzelligen Organismus, der eine kurze Generationszeit besitzt, sich einfach halten lässt und klein genug ist, damit man ihn in großer Zahl züchten kann wie einen Mikroorganismus. Er sollte relativ wenige Zellen besitzen, sodass man eingehende Untersuchungen zu Zelllinien und Teilungsmuster machen kann, und für genetische Analysen zugänglich sein.“

Tatsächlich besitzt der erwachsene C. elegans übersichtliche 959 Zellen. Er lebt normalerweise im Boden und ernährt sich dort von Mikroben und Bakterien. Im Labor züchten ihn die Forscher auf einer mit E. coli-Bakterien besäten Agarplatte. Der sich selbst befruchtende Zwitter legt im Laufe seines Lebens, das nur zwei bis drei Wochen währt, an die 400 Eier. Es dauert knapp einen halben Tag (bei 25°C), bis sich aus einem befruchteten Ei eine Larve entwickelt hat und dann noch einmal weitere 40 Stunden, bis das Tier ausgewachsen ist. Da Eier und Larven durchsichtig sind, kann man jede einzelne Zelle und deren Teilungen live unter dem Mikroskop mitverfolgen. Die Forscher ahnten, dass dieser ein Millimeter große Winzling Antworten auf grundsätzliche Fragen zur Entwicklung eines Organismus geben konnte – möglicherweise auch zu der des Menschen.

1969 stieß John Sulston zur Forschungsgruppe von Sydney Brenner. Zusammen mit dem Amerikaner Robert Horvitz verbrachte er Stunden am Mikroskop, um Hunderten von Würmern beim Heranwachsen zuzuschauen. In mühevoller Kleinarbeit dokumentierten die beiden Wissenschaftler in Handzeichnungen jede einzelne Zelllinie (heutzutage werden die Zellteilungen am 4D-Mikroskop mit einer Computer-gesteuerten Kamera aufgenommen und die Zelllinien mit entsprechender Software halbautomatisch erfasst). Heraus kam schließlich ein Stammbaum, der die Herkunft jeder einzelnen Zelle des Wurms beschreibt. Die Zellentwicklung ist derart festgelegt, dass man schon nach den ersten Zellteilungen sagen kann, aus welcher der zwei, vier oder acht Zellen sich einmal der Verdauungstrakt oder die Fortpflanzungsorgane entwickeln werden. Entwicklungsbiologen bezeichnen dieses Phänomen als Zellkonstanz.

Die Embryogenese beginnt mit einer asymmetrischen Teilung der befruchteten Eizelle, der Zygote. Dabei entsteht die sogenannte Gründerzelle (AB), aus der sich später Hautzellen, Nervenzellen und Teile des Verdauungstraktes ableiten. Die stammzellartigen P-Zellen (P1, P2 und P3) formen dann in weiteren asymmetrischen Teilungen die Gründerzellen für Muskeln und Schlund (MS), den Darm (E) sowie Haut und Muskeln (C und D). Die P4-Zelle, die letzte der P-Zellen, ist der Vorläufer der Keimbahn. In diesem Stadium hat der Embryo 24 Zellen und die Gastrulation beginnt. Die Zellen teilen sich weiter, sodass die schlüpfende Larve genau 558 Zellen besitzt. Beim ausgewachsenen Wurm bilden schließlich 330 Zellen einen Haut- und Muskelschlauch, in dem sich an die 300 Nervenzellen, etwa 140 Zellen des Verdauungstraktes und weitere 140 Zellen der Geschlechtsorgane befinden.

Im Verlauf dieser Entwicklung sind weitere 131 Zellen durch ein genetisch gesteuertes Selbstmordprogramm, den programmierten Zelltod (Apoptose) wieder aus dem Embryo entfernt worden. Die aus dem Griechischen stammende Bezeichnung „Apoptose“ steht für das Fallen der Blätter im Herbst – sie passt besonders gut, beschreibt sie doch das Absterben einzelner Zellen zum Wohle des Gesamtorganismus. Dieser erstmals im Fadenwurm beschriebene Mechanismus ist auch im menschlichen Körper gegenwärtig: Denn um ein Gleichgewicht zwischen den Milliarden von neuen Zellen zu schaffen, die täglich in unserem Körper gebildet werden, müssen andere Körperzellen ständig reguliert absterben. Tun sie das nicht, findet unkontrolliertes, nicht balanciertes Zellwachstum statt – Krebs entsteht. Der programmierte Zelltod sorgt ebenso dafür, dass Zellen des Immunsystems nur eine begrenzte Haltbarkeit haben, sonst würden Abwehrzellen, die etwa eine Grippe bekämpfen, auch nach der Infektion weiter ihre Abwehrgifte produzieren. Der Zelltod stellt sicher, dass mit der Krankheit auch die Aufrüstung beendet wird.

Der frühe Zelllinienstammbaum von C. elegans. Während der ersten vier Zellteilungsrunden bilden die stammzellartigen P-Zellen die somatischen Gründerzellen, aus denen dann die unterschiedlichen Gewebe des Embryos entstehen. Bild vergrößern
Der frühe Zelllinienstammbaum von C. elegans. Während der ersten vier Zellteilungsrunden bilden die stammzellartigen P-Zellen die somatischen Gründerzellen, aus denen dann die unterschiedlichen Gewebe des Embryos entstehen.

Das erste vollständige Genom

Lichtmikroskopische Darstellung der Embryogenese von C. elegans. Die Larve mit 558 Zellen schlüpft aus dem Ei, das etwa ein zwanzigstel Millimeter lang ist. Bild vergrößern
Lichtmikroskopische Darstellung der Embryogenese von C. elegans. Die Larve mit 558 Zellen schlüpft aus dem Ei, das etwa ein zwanzigstel Millimeter lang ist.

Die zentrale Frage, die sich die Wissenschaftler stellten, war jedoch: Welche Gene kontrollieren das Zellteilungsprogramm eines Lebewesens? Warum entsteht aus einer einzigen Zelle, der Eizelle, in dem einen Fall ein Wurm mit 959 Zellen, im anderen ein Mensch mit 100.000.000.000.000 (sprich hundert Billionen) Zellen? 1998 gelang es der Arbeitsgruppe von John Sulston, das Erbgut von C. elegans aufzuklären. Damit hielten die Forscher zum ersten Mal den vollständigen genetischen Bauplan eines Tieres in den Händen. Die Entschlüsselung der hundert Millionen Buchstaben des Wurm-Genoms war gleichzeitig auch der Probelauf für die Entschlüsselung des 30-mal größeren menschlichen Erbguts. Brenner, Sulston und Horvitz erhielten für ihre Arbeiten 2002 den Medizin-Nobelpreis. „Wie Gene die komplexen Strukturen in höheren Organismen festlegen, ist ein ungelöstes Problem der Biologie“, hatte Sydney Brenner 1974 in einer Abhandlung zur „Genetik von Caenorhabditis elegans“ geschrieben. In seinem Festvortrag anlässlich der Verleihung des Nobelpreises stellte er fest, dass dies auch fast 30 Jahre später noch der Fall ist.

Mit der Entschlüsselung des Fadenwurm-Genoms bekam das Feld der C. elegans-Forscher richtigen Zulauf – zurzeit gibt es weltweit schätzungsweise etwa 1500 Fadenwurm-Spezialisten. Anthony Hyman ist einer von ihnen. Der Direktor am Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden möchte herausfinden, was in den ersten Momenten des Lebens passiert, wenn ein mehrzelliger Organismus entsteht. „Die große Herausforderung des postgenomischen Zeitalters ist es, die Aufgaben einzelner Gene zu bestimmen und deren komplexe Zusammenhänge aufzuzeigen“, erklärt der Zellbiologe. Denn mit dem Genom allein ist wenig anzufangen, „wir können es zwar in Form von Buchstaben abdrucken, aber noch verstehen wir die Grammatik dieses riesigen Textes nicht“.

Welche der etwas mehr als 19.000 Gene steuern die ersten Zyklen der Zellteilung bei C. elegans? Um das herauszufinden, müssen letztlich alle Gene auf ihren möglichen Beitrag zu den ersten zwei Zellteilungen nach der Befruchtung getestet werden. Also beschlossen Hyman und seine Mitarbeiter, in 19.000 Einzelexperimenten jeweils ein Gen auszuschalten und dann die Entwicklung des Embryos mit einer an das Mikroskop angeschlossenen Kamera aufzuzeichnen, und zwar solange bis er etwa eine halbe Stunde später das Vierzellstadium erreicht hatte. Da für jedes Gen mehrere Embryonen untersucht wurden, entstanden insgesamt 40.000 Filmaufnahmen, die die Wissenschaftler nach bestimmten Kriterien analysierten: Dazu gehörten Ei-Größe und -Form, der Zytoplasmafluss, die Zahl und Wanderung der Vorkerne (Pronuclei), der Aufbau der Zellteilungsspindel und ihre Positionierung, die Anordnung der Spindelpole, die Bildung der Zellteilungsfurche, Größe und Form der Zellkerne in den Tochterzellen und so weiter – insgesamt 45 verschiedene Kriterien umfasste der Katalog der Wissenschaftler.

Gene stumm geschaltet

RNA-Interferenz: Das Enzym Dicer zerlegt die doppelsträngige RNA in kleinere Schnipsel. Diese werden vom Enzymkomplex RISC gebunden und zu Einzelsträngen entwunden. Der Einzelstrang bindet dann an die passende mRNA-Sequenz, die schließlich abgebaut wird. Bild vergrößern
RNA-Interferenz: Das Enzym Dicer zerlegt die doppelsträngige RNA in kleinere Schnipsel. Diese werden vom Enzymkomplex RISC gebunden und zu Einzelsträngen entwunden. Der Einzelstrang bindet dann an die passende mRNA-Sequenz, die schließlich abgebaut wird.

Doch wie können die Zellbiologen überhaupt einzelne Gene gezielt ausschalten? Normalerweise wird im Zellkern, wenn ein bestimmtes Protein hergestellt werden soll, zunächst eine Abschrift des entsprechenden Gens angefertigt. Man bezeichnet diesen Prozess als Transkription. Dabei entsteht eine einzelsträngige Boten- oder mRNA, mit der entgegengesetzten homologen Basenabfolge. Die mRNA wandert zu den Proteinfabriken der Zelle, den Ribosomen, wo sie abgelesen wird und ihrer Bauanleitung folgend die Proteine entstehen. Schon Ende der 1980er-Jahre hatte man bei Pflanzen beobachtet, dass die mRNA –noch ganz kurz vor dem Ablesen durch ein homologes RNA-Stückchen abgefangen werden kann: Diese einzelsträngige „antisense-RNA“ paart sich dabei mit der passenden mRNA zu einem funktionslosen Doppelstrang. Das Protein kann nicht mehr hergestellt werden, das Gen wird quasi stumm geschaltet. Forscher sprechen deshalb auch vom gene silencing.

Die beiden Amerikaner Andrew Fire und Craig Mello fanden heraus, dass es sich beim gene silencing, auch „RNA-Interferenz“ (RNAi) genannt, nicht um eine Absonderlichkeit im Stoffwechsel pflanzlicher Zellen handelt, sondern um einen grundlegenden Mechanismus der Gen-Regulation. 2006 wurden sie dafür mit dem Nobelpreis für Medizin ausgezeichnet. Und wieder war es der kleine Laborwurm C. elegans, der den Forschern weiterhalf: An ihm konnten Craig und Mello zeigen, dass nicht einzelsträngige, sondern doppelsträngige RNA-Schnipsel die sequenzgleiche Boten-RNA in den Wurmzellen blockiert. Ein zellulärer Häcksler, das Enzym Dicer, zerlegt diese doppelsträngigen RNA-Moleküle in kleinere Schnipsel aus etwa 20 Nukleotidbausteinen. Diese Schnipsel werden dann von einem Komplex aus verschiedenen Enzymen (RISC) aufgenommen, in Einzelstränge zerlegt und mit der entsprechenden Boten-RNA gepaart. Der funktionslose Doppelstrang wird schließlich von der Zelle abgebaut.

Um RNA-Interferenz auszulösen, genügen schon einige wenige RNA-Moleküle. Jedes Mal, wenn der Enzymkomplex eine neue RNA spaltet, wird er nämlich mit einem kurzen RNA-Molekül regeneriert, sodass ein am Anfang doppelsträngiges RNA-Molekül katalytisch viele komplementäre RNAs zerstören kann. Außerdem können die bei der Spaltung erzeugten RNA-Schnipsel durch andere Enzyme in der Zelle verdoppelt werden. Diese Vermehrung stellt sicher, dass die RNA-Interferenz, einmal gestartet, auch dann weiter wirken kann, wenn die auslösende RNA abgebaut wurde. So können etwa Tochterzellen die RNA-Interferenz weiterführen, die in der Mutterzelle eingeleitet wurde.

Testfall Fadenwurm

Die Zellteilung in der Wildtypzelle ist asymmetrisch. Durch Ausschalten von Genen mittels RNAi kommt es zu einer symmetrischen Zellteilung bzw. zu einer asymmetrischen Teilung, bei der umgekehrt zum Wildtyp die AB-Gründerzelle kleiner ist als die P-Zelle. Bild vergrößern
Die Zellteilung in der Wildtypzelle ist asymmetrisch. Durch Ausschalten von Genen mittels RNAi kommt es zu einer symmetrischen Zellteilung bzw. zu einer asymmetrischen Teilung, bei der umgekehrt zum Wildtyp die AB-Gründerzelle kleiner ist als die P-Zelle.

Als Instrument der Forschung ist die RNAi-Technik ein durchschlagender Erfolg: Mit ihr können Wissenschaftler die Expression jedes beliebigen Gens in so unterschiedlichen Modellorganismen wie Pflanzen, Würmern oder Fliegen unterdrücken und so Informationen über seine Funktion gewinnen. Anthony Hyman und seine Mitarbeiter mussten also nur für jedes der 19.000 Gene des Fadenwurms die entsprechende doppelsträngige RNA herstellen und diese in die Keimzellen des erwachsenen Wurms injizieren. Die aus der Befruchtung resultierenden Embryonen untersuchten die Forscher dann am Mikroskop mit einer speziellen optischen Anordnung (Differential Interference Contrast, DIC), die eine räumliche Darstellung der Zellen ermöglicht – so kann man die Wurmembryonen sehr genau bei den ersten Zellteilungen beobachten.

Das Ergebnis der Untersuchungen: 661 der 19.000 Gene beeinflussen die Entwicklung des frühen Embryos bei Caenorhabditis elegans. Etwa die Hälfte dieser Gene ist an Zellteilungsprozessen beteiligt wie der Verteilung der Chromosomen oder der Zytokinese; die andere Hälfte wird benötigt, um grundlegende Lebensprozesse der Zelle aufrechtzuerhalten, etwa die Translation, also die Übersetzung der mRNA-Transkripte in eine bestimmte Abfolge von Aminosäuren, oder die Funktion der Mitochondrien. Die Forscher haben auch bisher unbekannten Genen des Fadenwurms eine Funktion zuordnen können: Sieben dieser Gene steuern die Funktion der Chromosomen, drei Gene strukturieren die Zellkernhülle, vier Gene treiben den Zellteilungszyklus voran und elf Gene koordinieren den Zellstoffwechsel mit dem Treibstoff ATP. Für 17 der neuen Gene konnten die Molekularbiologen zudem auch schon die gleiche Funktion beim Menschen bestätigen.

Und genau Letzteres ist auch der Grund, warum Forscher sich überhaupt mit einem kleinen Fadenwurm beschäftigen: Die zellulären Signalwege bei Wurm und Mensch sind – mit wenigen Ausnahmen – nämlich extrem ähnlich. Für über 60 Prozent der heute bekannten menschlichen Krankheitsgene sind homologe Gene im Genom von C. elegans bekannt. So wurden praktisch alle in den vergangenen Jahren gefundenen Gene, für die ein ursächlicher Zusammenhang zur Alzheimer-Krankheit besteht, zunächst beim Fadenwurm identifiziert. Bei einem Ausfall der Gene, die beim Menschen eine Veranlagung für Alzheimer bedingen, verliert C. elegans die Fähigkeit, seine Eier abzulegen. Führt man die Wurm-eigenen Gene wieder ein, so lässt sich dieser Defekt beheben – was nicht weiter überrascht. Überraschend ist aber die Beobachtung, dass der Defekt auch durch Einsetzen der menschlichen Genvarianten beseitigt werden kann. Diese sind also im Wurm-Genom ebenfalls voll funktionstüchtig, obwohl es über 200 Millionen Jahre her ist, dass Mensch und Wurm einen gemeinsamen Vorfahren hatten. Offenbar bleiben bestimmte Gene in ihrer Funktion über Jahrmillionen hinweg erhalten, wenn sie für die Aufrechterhaltung des Lebens wichtig sind. Die Genfunktion ist konserviert, sagen die Wissenschaftler.

Das Studium der Entwicklung von Modellorganismen ist ein vielversprechender Ansatz bei der Suche wirksamer Medikamente gegen Krankheiten. Die Forscher um Anthony Hyman arbeiten deshalb eng mit der in Dresden ansässigen Biotechnologiefirma Cenix BioScience zusammen. Sie hoffen, durch systematisches RNAi-Silencing Gene aufzuspüren, die in bestimmten Krebszellen unbedingt aktiv sein müssen, in normalen Zellen dagegen nicht. Damit bestünde die Möglichkeit, einen Wirkstoff zu entwickeln, der die Funktion des entsprechenden Proteins hemmt und der sich somit als Krebsmedikament eignen könnte. Möglicherweise lässt sich auch die RNA-Interferenz selbst bereits dazu einsetzen – ihr therapeutisches Potenzial wird zumindest sehr hoch eingeschätzt. Allerdings wird es, trotz ermutigender Befunde aus einigen Labors, noch dauern, bis Behandlungen auf RNAi-Basis tatsächlich beim Menschen zum Einsatz kommen.

BIOMAX Ausgabe 21, Sommer 2007; Autorin: Christina Beck