2.1 DNA

2.1.1 DNA als Träger der Erbinformation

Nachdem bekannt war, dass die Chromosomen für die Übertragung der Erbinformation verantwortlich sind, untersuchte man ihren chemischen Aufbau. Man fand schnell heraus, dass Chromosomen aus Proteinen und Nukleinsäuren bestehen. Aber welche dieser beiden Stoffe war der Träger der Erbinformation? Proteine oder Nukleinsäuren? Bis zur ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts sprach vieles für die Proteine als Träger der Erbinformation. Man hatte entdeckt, dass Proteine lange Makromoleküle aus 20 verschiedenen Aminosäuren sind. Eine Erbinformation könnte nun dadurch zustande kommen, dass die Aminosäuren in einer ganz bestimmten Reihenfolge angeordnet sind. Auch die 26 Buchstaben des Alphabets können - in eine bestimmte Reihenfolge gebracht - einen ganzen Roman erzeugen. Oswald AVERY und seine Kollegen konnten 1944 jedoch nachweisen, dass nicht Proteine, sondern Nukleinsäuren die Träger der Erbinformation sind. Die Grundlage für diesen Versuch hatte der englische Arztes GRIFFITH schon 1928 gelegt. Daher wollen wir uns zunächst einmal mit den Versuchen von GRIFFITH beschäftigen und kommen später wieder auf AVERY zurück.	Beachten Sie auch meine Folien zur Biologie, die ich gern an interessierte Kollegen abgebe.
Der GRIFFITH-Versuch Der englische Arzt Frederick GRIFFITH beschäftigte sich 1928 mit den Ursachen der Lungenentzündung, die vor der Erfindung der Antibiotika viele Tausend Todesopfer im Jahr forderte. Die Lungenentzündung wird durch ein kugelförmiges Bakterium mit dem Namen Streptococcus pneumoniae hervorgerufen. Streptococcus pneumoniae, das Foto ist ein amerikanisches public domain-Bild (siehe Wikipedia).	Externe Links: Streptokokken (Wikipedia) Streptococcus (Lexikon der Biologie, nur für Abonnenten).
Als man diese Bakterien unter dem Mikroskop betrachtete, erkannte man zwei verschiedene Typen. Einer dieser Typen bildete eine Schleimhülle aus, die die eigentliche Bakterienzelle wie einen Mantel umgab. Man nannte diesen Typ daraufhin S-Typ. Der andere Typ hatte dagegen keine Schleimhülle, im Vergleich zum S-Typ erschien er eher rau, daher nannte man diesen Typ R-Typ. Jetzt wollte GRIFFITH herausfinden, wie virulent (gefährlich) die beiden Typen sind. Also injizierte er Lösungen mit den beiden Bakteriensorten in Labormäuse. Versuch 1: Mäuse wurden mit Bakterien vom R-Typ infiziert. Alle Mäuse überlebten diese Prozedur. Versuch 2: Mäuse wurden mit S-Typ-Bakterien infiziert. Hier starben die meisten Mäuse. Zwischenergebnis: Der S-Typ ist für die Mäuse gefährlich, der R-Typ dagegen harmlos. Versuch 3: S-Typ-Bakterien (gefährlich!) wurden durch Abkochen getötet. Mäuse wurden dann mit diesen abgekochten Bakterien infiziert. Alle Mäuse überlebten diese Prozedur. Zwischenergebnis: Der S-Typ ist letal (tödlich), der R-Stamm harmlos. Durch Abkochen können die S-Typ-Bakterien aber unschädlich gemacht werden. Nun wollte GRIFFITH es noch genauer wissen und er führte einen vierten, entscheidenden Versuch durch. Wie er auf die Idee kam? Das wäre mal eine gute Aufgabe für eine Literatur- oder Internet-Recherche. Versuch 4: GRIFFITH stellte eine Mischung aus lebenden R-Zellen (harmlos) und abgetöteten S-Zellen (harmlos) her und injizierte diese Mischung in Mäuse. An sich hätten die Mäuse den Versuch überleben müssen, da nur harmlose Bakterien injiziert wurden. Das Ergebnis war sehr überraschend: Alle Mäuse starben. Aber nicht nur das, aus dem Blut der toten Mäuse konnten lebende S-Typ-Bakterien isoliert werden. Endergebnis: Die S-Bakterien enthalten einen pathogenen (krankmachenden) Faktor, die R-Bakterien dagegen nicht. Durch Kochen kann man diesen pathogenen Faktor unschädlich machen. Allerdings kann man durch Kochen nicht verhindern, dass dieser Faktor auf lebende R-Bakterien übertragen wird. Durch die Aufnahme dieses Faktors werden die R-Bakterien zu S-Bakterien transformiert (umgewandelt) Offensichtlich wird der tödliche Faktor durch das Abkochen nicht zerstört, sondern nur in seiner Ausbreitung oder Vermehrung gehemmt, weil vielleicht das Cytoplasma der Bakterien zerstört worden ist. Wenn aber lebende Bakterien zugegen sind, wie im Versuch 4, so kann der Faktor seine letale Wirkung wieder entfalten.
Der AVERY-Versuch AVERY nahm an, dass der letale Faktor der S-Typ-Zellen nichts anderes als eine Art Erbinformation ist. Durch Aufnahme dieser Erbinformation werden aus R-Zellen plötzlich S-Zellen. Durch eine leichte Abwandlung des vierten GRIFFITH-Versuchs konnte AVERY herausbekommen, ob es sich bei dieser Erbinformation um Proteine oder um Nukleinsäuren handelte. AVERY-Versuch: S-Zellen wurden abgetötet, aufgebrochen und dann zentrifugiert. So konnte AVERY eine Protein-Fraktion und eine DNA-Fraktion gewinnen. Eine Probe lebender R-Zellen behandelte AVERY nun mit der Protein-Fraktion und eine zweite Probe lebender R-Zellen mit der Nukleinsäure-Fraktion. Diese Mischungen injizierte er Mäusen. Nur das R-Zellen / Nukleinsäure-Gemisch war für die Mäuse tödlich, eine Injektion mit dem R-Zellen / Protein – Gemisch überleben sie. Damit hatte AVERY nachgewiesen, dass Nukleinsäuren für die Übertragung der Erbinformation verantwortlich sind und nicht Proteine. Viele Wissenschaftler zögerten, die DNA als das genetische Material zu akzeptieren, obwohl die Versuche von AVERY und Kollegen (MacLEOD, MacCARTHY) eindeutig waren. Vielleicht lag das daran, dass die Desoxyribonucleinsäure (DNA) recht einfach aufgebaut ist: sie besteht "nur" aus einer Zuckerkomponente (Desoxyribose), Phosphatgruppen und vier verschiedenen organischen Basen. Proteine dagegen sind aus 20 verschiedenen Aminosäuren aufgebaut und eigneten sich daher nach Meinung vieler Wissenschaftler viel besser für die Vermittlung der genetischen Information. Literaturhinweise : Robert V. Miller, "Gentransfer zwischen Bakterien in der Natur", Spektrum der Wissenschaft, Heft 3/1998, Seite 50ff.	Externe Links: Den Original-Artikel von Oswald T. Avery, Colin M. MacLeod und Maclyn McCarty gibt es hier.
Der HERSHEY-CHASE-Versuch Der in den 1952 Jahren von Alfred HERSHEY und Martha CHASE durchgeführte Versuch (Abbildung rechts) mit Bakteriophagen bestätigte dann aber die Erkenntnis, dass die DNA der Träger der Erbinformation ist, auf recht eindrucksvolle Weise. Die T2-Phagen befallen Zellen der Bakterienart Escherichia coli und vermehren sich in den bakteriellen Zellen. Im Prinzip bestehen die Phagen nur aus zwei Komponenten: Protein und Nukleinsäure (DNA), wobei das Protein die DNA umhüllt. Nun ist es ja so, dass Proteine unter anderem das Element Schwefel enthalten, welches in Nukleinsäuren nicht vorkommt. Umgekehrt ist in DNA das Element Phosphor enthalten, welches wiederum nicht in Proteinen vorkommt. HERSHEY und CHASE machten nun folgendes: Sie markierten die S-Atome der Virenhüllen und die P-Atome der Viren-DNA radioaktiv. Dann wurden Bakterienzellen mit solchen markierten Phagen infiziert. Die Phagen vermehrten sich im Cytoplasma der Bakterienzellen, und die Tochterphagen trugen alle nur eine der beiden radioaktiven Markierungen, nämlich die Phosphor-Markierung. Damit war nachgewiesen, dass nur die DNA-Komponente der Phagen in die Bakterienzellen eingedrungen ist. Die Proteinkomponente verblieb auf der Zellwand der Bakterien. Also kann die genetische Information für den Aufbau neuer Phagen nur auf der DNA gespeichert gewesen sein. Kurze Zeit nach diesen wichtigen Versuchen konnte man die DNA aus Bakteriophagen isolieren und direkt mit Bakterienzellen in Kontakt bringen. Und tatsächlich, auch jetzt entstanden neue Bakteriophagen. Damit war also unwiderlegbar bewiesen, dass die DNA der Träger der Erbinformation ist.

(C) Ulrich Helmich, Juni 2008