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Artikel-Schlagworte: „DNA“

Hoffen auf die Bohne: Sojabohnen-DNA entschlüsselt (aid) – Die Sojabohne zählt weltweit zu den wichtigsten Feldfrüchten. Allein in den USA werden jährlich mehr als 21 Milliarden Euro mit dem Handel der Hülsenfrüchte umgesetzt. Aufgrund dieser großen Bedeutung haben sich Wissenschaftler des National Center for Soybean Biotechnology in Columbia, USA, die Mühe gemacht, die wichtigsten Abschnitte der Sojabohnen-DNA zu entschlüsseln. Diesen Beitrag weiterlesen »

Das Team um Prof. Dr. Rainer Beckert an der Friedrich-Schiller-Universität Jena hat eine neue organische Verbindung synthetisiert, die Fluoreszenzlicht auslöschen (engl: “quenchen”) kann. Der sogenannte “Dark Quencher” ist das Ergebnis einer Kooperation mit dem Pharma-Unternehmen “Roche Diagnostics” und mittlerweile zum europäischen Patent angemeldet. “Bei Diesen Beitrag weiterlesen »

Die Mutationen sind das Rohmaterial der Evolution. Schon der Forscher Charles Darwin hatte erkannt, dass Evolution nur funktionieren kann, wenn es vererbbare Unterschiede zwischen Individuen gibt: Wer besser an die Umwelt angepasst ist, hat größere Chancen, seine Gene weiterzugeben. Eine Art kann sich daher nur weiterentwickeln, wenn sich das Erbgut permanent durch neue Mutationen verändert und die jeweils vorteilhaftesten Veränderungen in der Selektion bestehen. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen haben nun erstmals direkt die Geschwindigkeit des Mutationsprozesses in Pflanzen gemessen. Ihre Erkenntnisse werfen ein neues Licht auf einen grundlegenden Vorgang der Evolution und erklären zum Beispiel, warum Unkrautvernichtungsmittel oft innerhalb weniger Jahre ihre Wirkung verlieren. (Science, 1. Januar 2010)

“Während die langfristigen Auswirkungen von Erbgutmutationen auf die Evolution gut verstanden sind, war bislang weitgehend unbekannt, wie schnell solche Veränderungen auftreten”, erläutert Studienleiter Detlef Weigel, Direktor am Max-Planck-Institut in Tübingen. So ist es gängige Praxis, das Erbgut verwandter Tier- und Pflanzenarten zu vergleichen. Mutationen aber, die in den Jahrmillionen seit der Trennung dieser Arten wieder verlorengegangen sind, bleiben dabei unberücksichtigt. Weigel und seine Mitarbeiter interessierten sich nun dafür, wie die Handschrift der Evolution aussieht, bevor die Selektion eingreift. Hierfür verfolgten sie die genetische Entwicklung von fünf Linien der Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana über 30 Generationen hinweg. Im Erbgut der letzten Generation untersuchten sie dann, welche Unterschiede sich im Vergleich mit den Ausgangspflanzen ergeben hatten.

Wie der aufwändige Vergleich des gesamten Genoms ergab, waren in nur wenigen Jahren in jeder der fünf Linien im Durchschnitt 20 einzelne DNA-Bausteine – so genannte Basenpaare – verändert worden. “Die Wahrscheinlichkeit, mit der ein beliebiger Buchstabe des Genoms innerhalb einer Generation verändert wird, liegt demnach bei rund sieben Milliardsteln”, rechnet Detlef Weigel vor. Anders ausgedrückt, hat ein Keimling im Durchschnitt knapp eine Neumutation in jeder der beiden Erbgutkopien, die er jeweils von der mütterlichen und väterlichen Seite mitbekommen hat. Diese winzigen Veränderungen im rund 120 Millionen Basenpaare umfassenden Genom von Arabidopsis zu finden, vergleicht Weigel mit der sprichwörtlichen Suche nach der Nadel im Heuhaufen: “Die Mutationen aufzuspüren, war nur mithilfe neuer Methoden möglich, mit denen sich das komplette Erbgut einer Pflanze in kurzer Zeit erfassen lässt”. Dennoch war der Aufwand für die Experimente gewaltig: Um echte Neumutationen zuverlässig von Experimentierfehlern unterscheiden zu können, buchstabierten die Wissenschaftler jedes untersuchte Genom 30-mal vollständig durch.

Hohe Variabilität des Genoms

Angesichts der Genomgröße mag die Zahl der Neumutationen zunächst sehr gering erscheinen. Berücksichtigt man jedoch, dass dieser Prozess bei allen Individuen einer Art parallel abläuft, dann erweist sich das genetische Material insgesamt als erstaunlich plastisch: In nur 60 Millionen Arabidopsis-Individuen ist jede Position des Genoms im Durchschnitt einmal mutiert. Für eine Art, die Tausende von Samen in jeder Generation produziert, wahrlich keine große Anzahl von Pflänzchen.

Neben der Geschwindigkeit, mit der Neumutationen auftreten, wirft die Tübinger Studie ein neues Licht auf deren Verteilung im Genom. So stellten die Wissenschaftler fest, dass nicht alle möglichen Mutationsklassen gleichmäßig auftreten. Bei vier verschiedenen Arten von Basenpaaren im Genom gibt es sechs Möglichkeiten der Veränderungen – aber eine dieser sechs ist für die Hälfte aller Mutationen verantwortlich. Auch lässt sich nun genauer kalkulieren, wann sich die Entwicklungslinien verschiedener Arten voneinander getrennt haben – gut möglich daher, dass Stammbäume an neue zeitliche Maßstäbe angepasst werden müssen. Detlef Weigel geht anhand der neuen Daten etwa davon aus, dass Arabidopsis thaliana sich von ihrer Schwesterart Arabidopsis lyrata, die in vielen Merkmalen sehr unterschiedlich ist, nicht wie bisher angenommen erst vor fünf Millionen, sondern bereits vor 20 Millionen Jahren getrennt hat. Entsprechende Untersuchungen an anderen Arten könnten ebenfalls Neujustierungen nötig machen – etwa bei der Frage, zu welchem Zeitpunkt in der Ur- und Frühgeschichte verschiedene Haustiere und Ackerpflanzen domestiziert wurden.

Hohe Mutationsrate fördert Resistenzen gegen Herbizide

Auch für die Pflanzenzüchtung ergeben sich neue und Erfolg versprechende Gedankenexperimente. Bei genügend großen Populationen kann davon ausgegangen werden, dass nahezu jede mögliche Mutation im Verlauf einer oder weniger Generationen realisiert wird. Das bedeutet, dass spontan auftretende Mutationen, die den Ertrag steigern oder Pflanzen gegen Dürre unempfindlich machen, vermutlich gar nicht so selten sind, auch wenn das Auffinden geeigneter Veränderungen immer noch sehr aufwändig bleibt. Auf der anderen Seite treffen Herbizide, die auf große Flächen ausgebracht werden, auf eine umfangreiche Population von Unkräutern. Da deren Erbgut mit großer Wahrscheinlichkeit ähnlich wandlungsfreudig ist wie das der Ackerschmalwand, verwundert es nicht, dass Herbizidresistenzen innerhalb von wenigen Jahren auftauchen. “Dieser Effekt ist auch deshalb besonders deutlich ausgeprägt, weil Herbizide oft nur die Funktion eines einzelnen Gens beeinträchtigen”, sagt Detlef Weigel. Ein Ausweg wäre die Suche nach Herbiziden, die auf mehrere Gene wirken.

Die Tübinger Biologen gehen davon aus, dass auch das menschliche Genom einer ähnlich schnellen Veränderung unterworfen ist. “Wenn man unsere Ergebnisse auf den Menschen überträgt, dann finden von einer Generation zur nächsten durchschnittlich 60 Basenaustausche statt”, rechnet Weigel vor. Bei mehr als sechs Milliarden Menschen, die derzeit auf der Erde leben, bedeutet das, rein statistisch betrachtet, dass es für jede Stelle des Erbguts Dutzende von Erdbewohnern gibt, bei denen diese Position mutiert ist. “Alles, was genetisch möglich ist, wird demnach innerhalb recht kurzer Zeit durchgetestet”, resümiert Detlef Weigel und beschreibt damit einen völlig neuen Blick auf die Evolution, der man sonst eher ein Arbeitstempo zuschreibt, das sich in Jahrtausenden oder gar Jahrmillionen bemisst.

Quelle: Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

Die Moleküle in unseren Zellen bilden ein komplexes Netzwerk aus Wechselwirkungen, deren zeitliche Abläufe bislang nicht gemessen werden konnten. Biologen untersuchen stattdessen die Geschwindigkeit einzelner molekularer Reaktionen außerhalb der Zelle. Fraglich ist aber, wie aussagekräftig diese Analysen sind, weil die Moleküle der Zelle in meist höherer Konzentration vorliegen und alle Interaktionen gleichzeitig ablaufen.
Ein Team um den LMU-Biophysiker Professor Dieter Braun untersuchte nun mit einem optischen Verfahren die Reaktionszeiten für die Kopplung zweier Stränge des Erbmoleküls DNA direkt in der Zelle. Und wurde überrascht: “Wir hatten erwartet, in der Zelle schnellere Reaktionen zu finden”, sagt Braun. “Die Kopplung lief aber abhängig von der Länge des DNA-Stranges manchmal sogar langsamer ab als außerhalb der Zelle.” Mit Hilfe dieser Methode können nun auch Daten aus lebenden Zellen in Modelle einfließen, die komplexe Vorgänge in biologischen Zellen abbilden – und möglicherweise helfen, Krankheiten zu erforschen. (PNAS online, 14. November 2009)

Die Doppelhelix des Erbmoleküls DNA entsteht, wenn sich zwei Einzelstränge aneinanderlagern. In der Studie brachten das Forscherteam zwei zusammengehörende DNA-Stränge in eine Zelle ein und analysierte die Geschwindigkeit deren Hybridisierung, also deren Kopplung und Entkopplung. Zur Messung der Reaktionsgeschwindigkeit – die sogenannte Kinetik – induzierten sie mit einem infraroten Laser Temperaturschwingungen verschiedener Frequenzen in der Zelle und erfassten die Konzentration der Reaktionspartner, also der einzelnen bzw. gekoppelten DNA-Stränge. War die Frequenz langsamer als die Reaktionszeit, folgten die gemessenen Konzentrationen der Temperaturschwingung. War sie schneller, so zeigten die Konzentrationen gegenüber dem Temperaturverlauf eine zeitliche Phasenverschiebung.

Die Reaktionszeit ergab sich aus der Auswertung der Zeitverzögerungen und dem Rückgang der Amplituden. Die Konzentrationen wurden dabei mit Hilfe von Fluoreszenzfarbstoffen gemessen, die untereinander Energie austauschen, wenn sie nahe genug beieinander sind (FRET). Die LMU-Forscher versetzten die beiden DNA-Stränge mit Fluoreszenzfarbstoffen, die nur dann Energie übertrugen, wenn beide Stränge gekoppelt waren. Die Farbstoffe wurden über eine Stroboskoplampe angeregt, und die Fluoreszenzstärke mit einer CCD Kamera aufgenommen. Damit konnten die Biophysiker die Konzentrationsänderungen in der Zelle mit einer räumlichen Auflösung von etwa 500 Nanometer direkt sichtbar machen.

Sie stellten fest, dass DNA-Stränge, die aus 16 Basen-Bausteinen bestehen, im Vergleich zu extern gemessenen Werten in der Zelle etwa siebenmal schneller reagierten, wogegen die Reaktionsgeschwindigkeiten von 12-basiger DNA fünfmal niedriger lagen als außerhalb der Zelle. Dieses Ergebnis widerspricht der bislang vorherrschenden Vermutung, dass molekulare Reaktionen in Zellen wegen der dort vorliegenden hohen Konzentrationen grundsätzlich schneller ablaufen sollten als im Labor. “Offensichtlich modulieren Zellen die Reaktionsgeschwindigkeiten auf hochselektive Art und Weise” sagt Braun. “Die Messungen liefern wertvolle, in vivo gemessene kinetische Daten für die systematische Analyse des komplexen Systems Zelle” ergänzt Ingmar Schön, der die anspruchsvollen Experimente durchgeführt hat. Die Forscher wollen nun eine größere Bandbreite molekularer Reaktionen in lebenden Zellen vermessen. (CR/suwe)

Quelle: Ludwig-Maximilians-Universität München

Das Immunsystem schützt unseren Körper vor Krankheitserregern. Es bildet sich aus Stammzellen der Leber während der Fötalentwicklung und dem Knochenmark nach der Geburt. Bisher gingen Forscher davon aus, dass die Entwicklung verschiedener Immunzellen nach der Geburt bereits abgeschlossen sei. Zellen, die die fötale Leber beziehungsweise das kindliche Knochenmark nicht gebildet hat, fehlen dem Körper sein ganzes Leben lang.
Forscher des Braunschweiger Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung (HZI) haben dies jetzt widerlegt: Ihnen gelingt es auch in erwachsenen Mäusen, die verschiedensten Immunzellen zu erzeugen, wann immer sie möchten. Ihre Ergebnisse haben die Forscher jetzt in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins “Blood” veröffentlicht.

Das Immunsystem besteht aus einer Vielzahl verschiedener Zelltypen. Die Hauptaufgabe der B-Zellen ist es, sogenannte Antikörper zu produzieren. Diese Antikörper erkennen eingedrungene Krankheitserreger und binden an sie. Damit neutralisieren sie sie oder markieren sie für Fresszellen. Zwei Gruppen von B-Zellen befinden sich im Körper: B1- und B2-Zellen. Während B1-Zellen bereits von der Leber des Fötus gebildet werden, entstehen B2-Zellen erst nach der Geburt aus Zellen des Knochenmarks. Auch in ihren Aufgaben unterscheiden sich beide B-Zellarten. B1-Zellen gehören zur ersten Verteidigungslinie des Körpers. Sie waren vermutlich schon früh in der Evolution vorhanden und bilden Antikörper, die vor allem an allgemeine Oberflächenstrukturen von Bakterien binden. B2-Zellen hingegen produzieren gut abgestimmte Antikörper gegen die unterschiedlichsten Strukturen. Sie werden zum Beispiel bei Impfungen angesprochen und schützen uns dadurch ganz speziell gegen einen bestimmten Erreger.

Bisher gingen Forscher davon aus, dass nach der Geburt keine neuen B1-Zellen mehr entstehen. Stattdessen nahmen sie an, dass die vorhandenen Zellen eine lange Lebensdauer besitzen und sich durch gelegentliche Zellteilung selbst erneuern. Dies konnten die HZI-Forscher nun widerlegen. Damit gelang ihnen ein entscheidender Fortschritt im Verständnis der Entwicklung des Immunsystems und seiner Flexibilität.

Die Wissenschaftler der HZI-Arbeitsgruppe “Molekulare Immunologie” veränderten dafür das Erbgut von Mäusen. In diesen Mäusen ist eines der Gene, das die Entwicklung des Immunsystems startet, blockiert – die genetisch veränderten Tiere werden ohne Immunzellen geboren. Erst wenn die Tiere eine chemische Substanz erhalten, wird das Gen angeschaltet und die Mäuse beginnen, Immunzellen zu bilden. Die Forscher konnten zeigten, dass dies unabhängig von ihrem Alter geschieht: auch in alten Mäusen fanden die Forscher dann neue B1-Zellen.

“Damit konnten wir zum ersten Mal zeigen, dass diese Immunzellen nicht nur im Fötus entstehen, sondern auch im erwachsenen Tier”, sagt Sandra Düber, Mitarbeiterin der Arbeitsgruppe am HZI, die die rekombinanten Mäuse generiert hat. Mit diesen speziellen Mäusen können die Wissenschaftler verschiedene Eigenschaften des Immunsystems nun besser verstehen und es leichter erforschen.

Die Forscher können es für alle Arten von Immunzellen anwenden. “Wir werden es nutzen, um zum Beispiel Autoimmunerkrankungen wie Multiple Sklerose oder Diabetes zu untersuchen”, sagt Siegfried Weiß, Leiter der Arbeitsgruppe. “Da wir jetzt das Immunsystem während seiner Entstehung von außen beeinflussen können, ist es möglich zu untersuchen, warum sich das Immunsystem gegen den eigenen Körper richtet und den Organismus krank macht.” Dies sei entscheidend, um solche fehlgeleiteten Immunantworten auch beim Menschen überhaupt zu verstehen und schließlich zu verhindern oder zu therapieren.

Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main