Von der DNA zu dir: Das zentrale Dogma des Lebens

Im Mai 1961 beobachtete in einem Labor der National Institutes of Health in Bethesda, Maryland, ein junger Biochemiker namens Marshall Nirenberg, wie ein Reagenzglas das Abstrakte ins Chemische verwandelte. Das Glas enthielt einen zellfreien Extrakt, die ausgepresste Maschinerie aufgebrochener Bakterienzellen, und hinein hatten er und sein Mitarbeiter Heinrich Matthaei eine einfache synthetische RNA gegeben, die aus nichts als der immer wieder aneinandergereihten Base Uracil bestand. Als sie prüften, welches Protein der Extrakt gebaut hatte, fanden sie Ketten aus einer einzigen Aminosäure, Phenylalanin, immer und immer wieder zusammengesetzt. Eine Kette aus U's war als Anweisung gelesen worden, und die Anweisung lautete Phenylalanin.

Es war das erste Wort des genetischen Codes, das jemals laut vorgelesen wurde. Niemand hatte vor jenem Nachmittag gewusst, was irgendein bestimmtes Codon bedeutete. Am Ende des Experiments wusste es einer von ihnen: die Sequenz UUU codiert für Phenylalanin. Dieses eine Ergebnis öffnete eine experimentelle Tür, die innerhalb von fünf Jahren zur gesamten Codontabelle und zu einem Nobelpreis führen sollte.

Doch um zu verstehen, warum dieses Reagenzglas von Bedeutung war, brauchen wir die größere Landkarte, in die es sich einfügte. Wie gelangt die Information, die in der DNA verschlossen ist, einem Molekül, das in deinen Zellen den Zellkern niemals verlässt, am Ende dahin, den Bau der Proteine zu steuern, die deinen Körper aufbauen und am Laufen halten? Die Antwort ist ein Prinzip, das der vom Physiker zum Biologen gewordene Francis Crick drei Jahre vor Nirenbergs Experiment formulierte, und es ist bis heute das Rückgrat der Molekularbiologie.

Die Idee, die Crick 1958 benannte

1958 trat Francis Crick vor die Society for Experimental Biology und hielt einen Vortrag mit dem Titel On Protein Synthesis. Darin formulierte er, was er das zentrale Dogma der Molekularbiologie nannte, ein bewusst hochtrabender Name für eine trügerisch einfache Behauptung über die Richtung, in der biologische Information wandern kann. Information, so schlug Crick vor, fließt von der DNA zur RNA zum Protein. Sobald diese Information das Protein erreicht hat, kann sie nicht zurück in die Nukleinsäure fließen.

Das Wort "Dogma" war eine schlechte Wahl, wie Crick selbst später einräumte, denn es legt etwas nahe, das ohne Beweise geglaubt wird. Was er meinte, kam eher einer zentralen ordnenden Hypothese nahe, einer Aussage darüber, welche Übertragungen von Sequenzinformation möglich und welche verboten waren. Die entscheidende Asymmetrie ist das Einwegventil am Ende: Die Aminosäuresequenz eines Proteins kann von einer Nukleinsäure festgelegt werden, doch ein Protein kann seine Sequenz niemals zurück in die DNA oder RNA schreiben. Es gibt keine zelluläre Maschine, die eine Aminosäurekette liest und das Gen, das sie hervorgebracht hat, rückentwickelt.

Diese Flussrichtung hat eine tiefgreifende Folge. Veränderungen, die ein Protein im Laufe deines Lebens durchmacht, die Abnutzung und Anpassung deiner arbeitenden Moleküle, können nicht dadurch vererbt werden, dass man sie zurück in deine Gene schreibt. Die genetische Information wird vorwärts weitergegeben, niemals rückwärts vom Protein aus.

Wo die beiden großen Schritte stattfinden

Die Reise vom Gen zum Protein teilt sich in zwei benannte Phasen, und in deinen Zellen geschehen sie in verschiedenen Räumen. Die erste Phase, die Transkription, kopiert einen Abschnitt der DNA in ein Boten-RNA-Molekül, und in einer eukaryotischen Zelle (jener Art, aus der Pflanzen, Tiere und Pilze bestehen) geschieht das im Inneren des Zellkerns, wo die DNA aufbewahrt wird. Die zweite Phase, die Translation, liest diese Boten-RNA und baut das entsprechende Protein, und sie findet draußen im Zytoplasma an den Ribosomen statt.

Weil diese beiden Phasen in getrennten Kompartimenten ablaufen, muss die Boten-RNA eine Reise antreten. Nachdem sie transkribiert wurde, wird sie prozessiert und dann durch die Kernporen aus dem Zellkern hinausbefördert, die torgesteuerten Kanäle in der Membran, die den Zellkern umschließt, bevor aus ihr irgendein Protein gebaut werden kann. Die Information muss physisch aus dem Raum, in dem die Mastervorlage lebt, in den Raum getragen werden, in dem die Fertigung geschieht.

Bakterien und andere Prokaryoten machen die Dinge anders, und der Unterschied ist aufschlussreich. Eine prokaryotische Zelle hat keinen Zellkern, daher gibt es keine Membran, die die DNA von den Ribosomen trennt, und keinen Weg, den die RNA zurücklegen müsste. Transkription und Translation geschehen gleichzeitig am selben Molekül: Ribosomen können sich an eine Boten-RNA klammern und am einen Ende ein Protein zu bauen beginnen, während das andere Ende noch von der DNA abgelesen wird. Die Zwei-Räume-Choreografie deiner Zellen verdichtet sich zu einem einzigen geschäftigen Raum.

Das Gen kopieren: Transkription

Die Transkription beginnt, wenn ein Enzym namens RNA-Polymerase einen bestimmten DNA-Abschnitt namens Promotor findet und an ihn bindet, eine Sequenz, die markiert, wo ein Gen beginnt und in welche Richtung es gelesen werden soll. Sobald sie gebunden hat, drückt die Polymerase die beiden Stränge der Doppelhelix auseinander, um eine kurze Blase zu öffnen und die Basen im Inneren freizulegen. Sie liest dann entlang eines Strangs, des Matrizenstrangs, und bewegt sich dabei in 3-prime-zu-5-prime-Richtung, und nutzt ihn, um in der entgegengesetzten 5-prime-zu-3-prime-Richtung einen komplementären RNA-Strang zusammenzusetzen. Diese Primzahlen bezeichnen einfach die beiden chemisch unterschiedlichen Enden eines Nukleinsäurestrangs, und sie sind wichtig, weil die molekulare Maschinerie nur in einer Richtung an ihnen entlanglaufen kann.

Bei Eukaryoten ist die frisch hergestellte RNA, der naszierende Transkript genannt, noch nicht bereit, translatiert zu werden. Sie durchläuft eine Reihe von Bearbeitungen, während sie sich noch im Zellkern befindet. Eine schützende Struktur namens 5-prime-Kappe wird an ihr vorderes Ende angefügt. Abschnitte nicht-codierender Sequenz, Introns genannt, werden herausgeschnitten, und die verbleibenden codierenden Stücke werden zusammengefügt, ein Vorgang, der als Spleißen bekannt ist. Schließlich wird ein langer Schwanz aus Adeninbasen, der Poly-A-Schwanz, an das 3-prime-Ende angehängt. Erst nach dieser Prozessierung verlässt die reife Boten-RNA den Zellkern. Die Kappe und der Schwanz helfen, das Molekül zu stabilisieren und es als legitimen Satz von Anweisungen zu kennzeichnen, während das Spleißen aus verstreuten Fragmenten die endgültige codierende Botschaft zusammensetzt.

Die Botschaft lesen: Translation und der Code

Draußen im Zytoplasma ist die Translation der Ort, an dem die Sequenz der Boten-RNA zu einer Kette aus Aminosäuren wird. Stell dir die Szene im Inneren eines arbeitenden Ribosoms vor: Das Ribosom klammert sich an die Boten-RNA und liest sie in 5-prime-zu-3-prime-Richtung, während kleine Adaptermoleküle namens Transfer-RNAs Aminosäuren eine nach der anderen heranschaffen. Jede Transfer-RNA trägt eine bestimmte Aminosäure und zeigt eine Drei-Basen-Sequenz, ihr Anticodon, das sich mit einem passenden Drei-Basen-Codon auf der Boten-RNA paart. Sobald die richtigen Transfer-RNAs der Reihe nach andocken, werden ihre Aminosäuren zu einer wachsenden Kette verknüpft, dem Polypeptid, das aus einem Tunnel im Ribosom hervortritt.

Das Regelwerk, das Codons mit Aminosäuren verbindet, ist der genetische Code, und er hat drei prägende Eigenschaften, die man sich einprägen sollte. Es gibt vierundsechzig mögliche Drei-Basen-Codons, und diese bilden zwanzig Aminosäuren plus drei Stoppsignale ab, die dem Ribosom mitteilen, wo es die Kette beenden soll. Erstens ist der Code redundant, das heißt, die meisten Aminosäuren werden durch mehr als ein Codon festgelegt. Zweitens ist er nicht-überlappend, das heißt, jede Base gehört zu genau einem Codon, und Codons werden in einem festen Raster gelesen, drei Basen auf einmal, ohne sich zu teilen. Drittens ist er nahezu universell: Dieselben Codons bedeuten dieselben Aminosäuren in einem Bakterium, in einem Mammutbaum und in einem Menschen, mit nur geringfügigen bekannten Ausnahmen in Mitochondrien und einer Handvoll Protisten. Diese annähernde Universalität ist einer der stärksten Belege dafür, dass alles Leben auf der Erde von einem gemeinsamen Vorfahren abstammt, der diesen Code bereits verwendete.

Den Code knacken, ein Codon nach dem anderen

Damit kommen wir zu Nirenbergs Reagenzglas zurück. Vor 1961 war der genetische Code ein theoretisches Gebilde ohne experimentelle Einträge. Der Trick von Nirenberg und Matthaei bestand darin, die Komplexität der natürlichen Maschinerie zu umgehen, indem sie einen zellfreien Extrakt aus E. coli mit einer maßgeschneiderten RNA fütterten, die sie selbst hergestellt hatten, einem Strang aus reinem Uracil. Der Extrakt baute pflichtbewusst ein Protein aus reinem Phenylalanin und bewies damit, dass UUU für Phenylalanin codiert. Sie stellten das Ergebnis im August 1961 auf dem Internationalen Kongress für Biochemie in Moskau vor, und das Fachgebiet begriff sofort, dass der Code nun experimentell gelesen und nicht mehr bloß erraten werden konnte.

Was folgte, war ein fünf Jahre währender Feldzug. Indem sie die synthetischen RNAs variierten und raffiniertere Techniken entwickelten, füllten die Forscher zwischen 1961 und 1966 den Rest der Tabelle aus. Die entscheidende Anerkennung kam 1968, als der Nobelpreis für Physiologie oder Medizin gemeinsam an Robert Holley, Har Gobind Khorana und Marshall Nirenberg ging, für ihre Deutung des genetischen Codes und seiner Funktion bei der Proteinsynthese. Holley hatte die Struktur einer Transfer-RNA aufgeklärt, Khorana hatte definierte RNA-Sequenzen synthetisiert, die Codons eindeutig festlegten, und Nirenberg hatte das ganze Unterfangen mit jenem ersten Ablesen von UUU eröffnet.

Was das Dogma nicht verbietet

Ein hartnäckiges Missverständnis verdient eine Richtigstellung, denn Studierende kommen sehr oft in dem Glauben an, das zentrale Dogma verbiete jeglichen Informationsfluss von der RNA zurück in die DNA. Das tut es nicht, und das tat es nie. In seiner ursprünglichen Formulierung von 1958 führte Crick RNA-zu-DNA ausdrücklich als erlaubte Sonderübertragung auf. Der einzige Fluss, den er ausschloss, war der vom Protein zurück in die Nukleinsäure.

Die Frage wurde 1970 auf dramatische Weise geklärt, als Howard Temin und David Baltimore unabhängig voneinander ein Enzym namens reverse Transkriptase in Retroviren entdeckten, Viren wie HIV, die ihre Gene als RNA speichern und im Inneren einer Wirtszelle in DNA umschreiben. RNA wurde nachweislich zurück in DNA geschrieben, genau die Übertragung, die Cricks Rahmen erlaubt hatte. Im selben Jahr veröffentlichte Crick, um die durch die Entdeckung ausgelöste Verwirrung aufzuklären, in Nature einen klärenden Aufsatz, in dem er noch einmal darlegte, was das zentrale Dogma stets bedeutet hatte. Der Weg der reversen Transkription war vorhergesehen worden; das echte und bis heute ungebrochene Verbot betrifft nur den Fluss von Protein zu Nukleinsäure.

Wenn das Polypeptid vom Ribosom abkommt

Es gibt noch eine letzte Ehrlichkeit, die das zentrale Dogma von uns verlangt. Eine Polypeptidkette, die aus dem Austrittstunnel des Ribosoms herausgleitet, ist noch kein fertiges, funktionsfähiges Protein. Der Informationsweg, den das Dogma beschreibt, endet bei der Sequenz, doch die biologische Funktion ist ein nachgelagertes chemisches Problem, das die Sequenz allein nicht vollendet.

Eine neue Kette muss sich in eine präzise dreidimensionale Form falten, ein Vorgang, der oft von Helferproteinen namens Chaperonen unterstützt wird, die sie davor bewahren, falsch zu verklumpen. Sie wird häufig von Enzymen namens Proteasen geschnitten, die die Kette auf ihre arbeitsfähige Form zurechtstutzen. Es können ihr Zuckergruppen oder Phosphatgruppen chemisch angeheftet werden, Modifikationen, die ihre Aktivität ein- oder ausschalten oder sie für ein Ziel markieren. Und manchmal wird sie mit anderen Ketten zusammengefügt, denn viele Enzyme und Rezeptoren sind Zusammenbauten aus mehreren Polypeptiden. Das zentrale Dogma sagt dir, wie eine Zelle die Reihenfolge der Aminosäuren festlegt; es sagt dir für sich genommen nicht die endgültige Form oder die arbeitsfähige Maschine, die aus einer Chemie hervorgehen, die über die codierte Sequenz hinaus aufgeschichtet wird.

Die wichtigsten Erkenntnisse

Das zentrale Dogma, von Francis Crick 1958 benannt, besagt, dass Sequenzinformation von der DNA zur RNA zum Protein fließt und niemals vom Protein zurück in die Nukleinsäure; die oft falsch erinnerte RNA-zu-DNA-Übertragung war von Anfang an erlaubt und wurde durch die Entdeckung der reversen Transkriptase 1970 bestätigt. In eukaryotischen Zellen findet die Transkription im Zellkern statt, wo die RNA-Polymerase an einen Promotor bindet und die DNA-Matrize in Boten-RNA kopiert, die vor dem Export mit Kappe, Spleißen und Schwanz versehen wird, während die Translation an den Ribosomen im Zytoplasma geschieht, wo Transfer-RNAs Anticodons mit Codons abgleichen, um ein Polypeptid zu bauen; bei Prokaryoten, denen ein Zellkern fehlt, laufen die beiden Prozesse gleichzeitig am selben Molekül ab. Der genetische Code ist ein Satz aus vierundsechzig Drei-Basen-Codons, die auf zwanzig Aminosäuren und drei Stoppsignale abbilden, und er ist redundant, nicht-überlappend und nahezu universell, ein Code, der erstmals experimentell gelesen wurde, als Nirenberg und Matthaei im Mai 1961 zeigten, dass UUU Phenylalanin bedeutet, bis 1966 vervollständigt und 1968 mit dem Nobelpreis an Holley, Khorana und Nirenberg geehrt. Schließlich beschreibt das Dogma nur die Sequenz: Ein fertiges, funktionsfähiges Protein erfordert Faltung, Spaltung, chemische Modifikation und Zusammenbau, die jenseits des Informationswegs selbst liegen.