DNA Definition und Geschichte

DNA: Bedeutung und Entschlüsselung

Der Begriff DNA, ausgeschrieben Desoxyribonukleinsäure, klingt zunächst kompliziert. Was es damit auf sich hat und wie die DNA erforscht bzw. entschlüsselt wurde.

DNA Definition

Die DNA ist im Prinzip nichts anderes als ein Speichermedium im Körper. Sie ist im Zellenkern (Nukleus) zu finden und enthält alle Erbinformationen. Die einfachste DNA Definition ist: Bauplan des Lebens oder biologische Anleitung zur Weiterentwicklung, Funktion und Vermehrung. Mütter und Väter geben ihre DNA in Form von Chromosomen an die nächste Generation weiter. Menschen unterscheiden sich optisch und charakterlich. Das legt den Schluss nahe, dass jede DNA einzigartig ist. Ein Trugschluss, denn zu 99 Prozent ist die menschliche DNA identisch. Nur ein Prozent der DNA ist einmalig.

DNA Aufbau

Die DNA ist ausgesprochen übersichtlich. Sie ist gleichartigen Bausteinen (Nukleotide) aufgebaut. Ihre Basis sind weibliche und männliche Chromosomen, das sogenannte Chromatid. Jede menschliche Zelle hat 46 Chromosomen, also 23 Chromatiden. Sie setzen sich aus Desoxyribose (Zucker aus fünf Kohlenstoff-Atomen ohne Sauerstoff) und vier Basen zusammen. Bildlich gesprochen sind die Chromatiden ein verdrehter DNA Doppelstrang (Doppelhelix). Das sieht dann aus wie eine Wendeltreppe. Dabei bilden die Basen die Stufen oder Sprossen. Davon gibt es vier:

• Adenin (A),
• Cytosin (C),
• Guanin (G),
• Thymin (T).

Eine Sprosse besteht immer aus zwei Basen, die praktisch aneinander haften. Alle vier Basen bilden das Gerüst und schreiben sozusagen die Bauanleitung. Dabei ergeben jeweils drei Basen zusammen ein Wort (Triplette). Jedes Triplette ist der Code für eine Aminosäure (Protein-Baustein). Die Reihenfolge der vier Basen bestimmt letztendlich die Erbinformation. Der komplette genetische Code setzt sich demnach aus unzähligen verschiedenen Triplette-Kombinationen von Basen zusammen. Nur um eine Vorstellung zu haben, wie lang die Doppelhelix beim Menschen ist: Auseinandergefaltet wäre sie am Stück knapp zwei Meter lang.

Verschiedene Abschnitte der DNA (Gene) bestimmen die menschlichen Merkmale wie

• Augenfarbe,
• Blutgruppe,
• Haarfarbe,
• Körperwuchs,
• Talente (Musik, Handwerk),
• Verhaltensmuster (Selbstbewusstsein, Ängstlichkeit),
• Widerstandsfähigkeit.

DNA Boten

Die Gene enthalten den Bauplan des Körpers. Nun brauchen Sie nur noch Boten, die ihn umsetzen. Diese Aufgabe übernehmen Proteine. Dabei setzt sich ein Protein aus 20 Aminosäuren zusammen. Wann ein Protein zu bilden ist und welche Funktion es übernimmt, erfahren die Mitochondrien (Zellorganellen) von der sogenannten Boten-RNS. Dazu spaltet sich der Doppelstrang der DNA in zwei Stränge auf. Der Botenstrang (Boten-RNS) wird kodiert, speichert die Information und trägt sie in die Mitochondrien. Hat er seine Aufgabe erfüllt, stirbt er ab. Soll ein neues Protein entstehen, wiederholt sich der Vorgang. Je nach Code, übernehmen die Proteine die vorgegebene Funktion wie Aufbau der Muskeln, Nägel und Haare.

DNA Geschichte

Es war ein langer Weg, das menschliche Erbgut zu entschlüsseln. Bereits im Altertum interessierten sich Gelehrte für die Erbanlagen und Vererbung. Allerdings glaubten Philosophen wie Aristoteles daran, dass nur Männer Erbanlagen besitzen. Bis zur Entdeckung der Doppelhelix sollten noch Jahrtausende vergehen. Die Meilensteine der DNA Geschichte.

19. Jahrhundert

Basis der Vererbungslehre waren die Mendelschen Regeln 1865. Der österreichische Augustinermönch und Botaniker Gregor Johann Mendel entdeckte über Kreuzungsversuche die elementaren Gesetze der Vererbung. Eine wichtige Entdeckung machte der Schweizer Pathologe Friedrich Miescher 1869. Er isolierte eine Substanz aus Eiterzellen, die er filtrierte und chemisch untersuchte. Die isolierte Substanz benannte er nach dem lateinischen Begriff für Zellkern (Nukleus) schlicht Nuklein. Friedrich Miescher ahnte nicht, dass er als erster die DNA aus Zellkernen isolierte und damit die Erbsubstanz entdeckte. Dazu war ihm die Substanz auch zu einfach aufgebaut. Er konnte sich nicht vorstellen, dass der Zellkern den biologischen Bauplan speichert. Die Wissenschaft brauchte mehr als 100 Jahre, um die DNA endgültig zu entschlüsseln. Im Übrigen befindet sich der von Friedrich Miescher geschaffene Begriff Nuklein noch im heutigen Namen der DNA. Desoxyribonukleinsäure kommt von: Desoxy (ohne Sauerstoff) – ribo (Ribose: Zucker mit fünf Kohlenstoff-Atomen) – Nuklein – Säure. Der deutsche Anatom Wilhelm von Waldeyer prägte schließlich 1888 den Begriff Chromosom, um die Strukturen im Zellkern zu beschreiben.

Erste Hälfte des 20. Jahrhunderts

Der deutsche Biologe Theodor Boveri wies 1904 nach, dass die Erbinformationen in den Chromosomen enthalten sind. Ein Brite war es dann, der 1906 einen neuen Begriff für die Gesetze der Vererbung prägte. William Bateson bezeichnete sie als Genetik. Das Wort Gen verwendete 1909 erstmals der dänische Biologe Wilhelm Johannsen. Damit bezeichnete er die Vererbung bestimmter Merkmale. Der US-amerikanische Genetiker Thomas Hunt Morgan enträtselte 1910 die grundlegende Struktur der Chromosomen. Er entdeckte Ihre Position und ermittelte auch ihre Reihenfolge und Abstände. Dafür erhielt er 1933 den Nobelpreis für Medizin. Seither zählt er zu den Vätern der Genforschung. Der kanadische Mediziner Oswald T. Avery experimentierte 1944 mit Colin MacLeod und Maclyn McCarty an Pneumokokken (Bakterienart). Dabei wiesen sie nach, dass die DNA Träger der Erbinformation ist. Damit begründeten die drei Forscher die moderne Molekulargenetik.

Zweite Hälfte des 20. Jahrhunderts

Zum damaligen Zeitpunkt war die Doppelhelix-Struktur der DNA noch nicht bekannt. Einen wesentlichen Beitrag zur Entschlüsselung leistete ein österreichisch-amerikanischer Chemiker und Wissenschaftler. Erwin Chargaff fand 1950 heraus, dass vier Basen immer paarweise auftreten und im gleichen Verhältnis vorkommen. Der britischen Biochemikerin und Spezialistin für Röntgenstrukturanalyse, Rosalind Franklin, gelang 1951 Spektakuläres. Sie erstellte erste Aufnahmen von DNA-Kristallen. Dank dieser Röntgentaufnahmen entschlüsselten die Molekularbiologen James Watson und Francis Crick 1953 die Doppelhelix-Struktur der DNA. Dafür erhielten sie 1962 den Nobelpreis für Medizin. Den genetischen Code entzifferten 1965 die Biochemiker J. Heinrich Matthaei und Severo Ochoa. Basis war das wissenschaftliche Experiment von Marshall W. Nirenberg. Der amerikanische Biochemiker Jonathan Roger Beckwith isolierte schließlich 1969 als Erster ein einzelnes Gen aus Colibakterien.

Die beiden Chemiker Allan Maxam und Walter Gilbert revolutionierten 1977 die Molekularbiologie. Sie entschlüsselten die Nukletoid-Abfolge eines DNA-Moleküls und entwickelten so eine Methode zur DNA-Sequenzierung. Das war bahnbrechend, denn damit waren Analysen der Abfolgen eines gesamten Genoms möglich. Diese Entwicklung läutete die Ära der Genomik ein. Ab dem Jahr 1982 begannen die Arbeiten mit gentechnisch hergestellten Produkten oder Lebewesen wie beispielsweise

• Gentechnisch hergestelltes Insulin (1982)
• Entwicklung des genetischen Fingerabdrucks (1984)
• Gentechnisch veränderte Maus (Harvard-Krebs-Maus 1987)
• Klonschaf Dolly (1997)

Human Genome Project (HUGO)

Weltweit hatten sich Forscherteams auf die Fahne geschrieben, das komplette menschliche Erbgut zu entschlüsseln. Zu diesem Zweck startete 1990 das „Human Genome Project“ (HUGO) – zunächst unter Leitung von James Watson und Francis Collins. Meilensteine waren:

• Vollständige DNA-Sequenzierung des Bakteriums Haemophilus influenza (1995).
• Entzifferung des ersten Genoms eines komplexen Organismus, der Bäckerhefe (1996).
• Entschlüsselung des ersten Genoms eines mehrzelligen Organismus, dem Fadenwurm (1998).
• DNA-Sequenzierung eines kompletten Chromosoms (1999).
• Dekodierung der Genome einer Fruchtfliege (2000) und Maus (2002).

Das HUGO-Projekt wurde 2003 beendet, da das menschliche Genom als offiziell entschlüsselt galt. Die Forschungsergebnisse hatten Auswirkungen auf die Zahl der menschlichen Gene. Sie wurde nicht mehr auf 100.000 geschätzt, sondern „nur noch“ auf etwa 40.000.

Projekt ENCODE (Encyclopedia Of DNA Elements)

Das US-amerikanische National Human Genome Research Institute (NHGRI) startete 2003 das Projekt Encyclopedia Of DNA Elements. Ziel war es, alle funktionellen Elemente des menschlichen Genoms zu identifizieren und zu klassifizieren. Im Jahr 2005 gelang die DNA-Sequenzierung des Genoms von Schimpansen. Es stimmt zu etwa 95 Prozent mit dem menschlichen Genom überein. Die Ergebnisse des Gesamtprojekts ENCODE erschienen in verschiedenen Journalen wie Nature oder Science.

Weitere DNA-Projekte

Das spannende Thema der DNA-Entschlüsselung wurde in zahlreichen weiteren Projekten verfolgt wie beispielsweise:

• NGFN-Plus und NGFN-Transfer zur Medizinischen Genomforschung (2008).
• 1.000 Genome Projekts mit Publikation Pilot paper in Nature (2008/2010).
• Internationales Krebsgenom-Konsortium (ICGC) zur Analyse von Minimum fünfzig Tumorarten (2008).
• Deutsches ICGC-Konsortium mit den Projekten: Analyse von Malignen Lymphomen, Prostatakrebs-Genomen und Hirntumoren bei Kindern (2009).