Was ein kleiner Nematode über unsere Gene verrät

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.

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