Als beim Erdbeben in der Provinz Sichuan zahlreiche Kinder ums Leben kamen, weil Schulgebäude über ihnen eingestürzt waren, wurde über Schlampereien bei der Errichtung öffentlicher Gebäude berichtet. Ai Weiwei begann zu fragen, zu dokumentieren und wurde daraufhin verprügelt. Er veröffentlichte die Namen von mehreren tausend Kindern, die unter den Trümmern ihr Leben verloren hatten. Offensichtlich war das ein der Zensur würdiges Vergehen. Mittlerweile sind die Namen Teil einer Ausstellung im DKM in Duisburg. Und die Bilder von Ai Weiweis Kopf auch. Das ist die Geschichte. Und sie klingt plausibel. Zumindest war Ai Weiweis Blog  seit September 2009 nicht mehr zu erreichen. Damals waren dort Aufnahmen seines Kopfs zu sehen – unter anderem auch das Bild mit der „Mittellinienverschiebung“ -  und ärztliche Befunde in deutscher Sprache. Auf Anfrage hatte Ai Weiwei nichts gegen eine Veröffentlichung einzuwenden.

Theddy Mondgarten

Auch ziemlich gut ist dieses Video, in dem sich der echte Hermann darüber beklagt, dass über ihn ein Buch geschrieben worden ist:

Theddy Mondgarten

Welches Szenario entwerfen die Kritiker? Wovor geben sie vor, warnen zu müssen? Wie soll ein Gen aus einer Kartoffel die Eigenschaften eines Bakteriums verändern? Wie soll aus der Erbsubstanz der Kartoffel etwas herausgebrochen werden oder heraus fallen, von einem Bakterium aufgenommen undsoweiter? Es ist bekannt, dass Bakterien untereinander kleine DNS-Mengen auszutauschen können und so auch Resistenzen gegen Antibiotika weitergegeben. Hierbei handelt es sich um sogenannte Plasmide, um zumeist ringförmige DNS-Moleküle, die neben dem Genom des Bakteriums ein mehr oder weniger unabhängiges Dasein fristen. Plasmide haben eine bestimmte Struktur. Sie werden innerhalb eines Bakteriums vermehrt. Sie können an andere Bakterien weiter gegeben werden. Dadurch werden Eigenschaften die das Plasmid vermittelt, ebenfalls weitergegeben. In Laboren sind sie übrigens ein unverzichtbares Werkzeug, um DNS zu vermehren. Zurück zum Thema: Wie soll aber ein Gen aus einer Pflanze auf ein Bakterium übertragen werden?

Szenario 1 – Bakterium verschmilzt mit Kartoffel: Angenommen, ein Bakterium setzt sich auf eine Kartoffel. Das Bakterium ist von einer Hülle umgeben, die Kartoffelzelle auch. Nun müssten Bakterium und Kartoffelzelle einen Weg finden, ihre jeweiligen Barrieren zu durchbrechen, um miteinander zu verschmelzen.

Szenario 2 – Bakterium nimmt Gen aus Kartoffel im Verdauungstrakt auf: Wenn also die Kartoffelzelle im Verdauungstrakt in ihre Bestandteile zerlegt wird, zerbricht früher oder später auch das Genom unter dem Einfluss der zersetzenden Säfte. DNS-Fragmente schwirren also durch den Darm, der tatsächlich von Bakterien besiedelt ist, schmiegen sich an die Hülle von Bakterien, werden schließlich aufgenommen undsoweiter.

Die Szenarien mögen unvollständig sein. Vielleicht gibt es auch noch ganz andere Möglichkeiten. Ich bitte um Ergänzungen. Vielleicht hat der BUND ja noch eine Idee oder jemand aus dem gentechnikfreien Kreis Paderborn. Danke.

Theddy Mondgarten

Corticoide, beim Menschen sind die wichtigsten Vertreter Cortison und Cortisol, vermitteln die Anpassung des Organismus an besondere körperliche und seelische Herausforderungen. Findet allerdings ununterbrochen eine Überflutung des Körpers mit Corticoiden statt, so entstehen dadurch unterschiedliche Beschwerden, bis hin zu depressiven Erkrankungen. Verständlicherweise ist die präzise Regulation der Corticoid-Ausschüttung von elementarer Bedeutung. Diese wird durch einen Regelkreis gewährleistet, in dem die Hypophyse, auch Hirnanhangsdrüse genannt, die Sekretion von Corticoiden stimuliert. Dabei wird sie vom Hippocampus, eine Hirnstruktur im Schläfenlappen, kontrolliert. Dort wiederum befinden sich Corticoid-Rezeptoren. Das sind corticoid-bindende Proteine, die in fast jeder Zelle des Körpers anzutreffen sind und ganz allgemein die Wirkung der Corticoide vermitteln. Im Hippocampus lösen diese Rezeptoren neuronale Signale aus zur Dämpfung der Hypophysenaktivität. Corticoide unterbinden also mittelbar über den Hippocampus ihre eigene Sekretion. Damit sind wir wieder bei dem vernachlässigten Rattennachwuchs angekommen, denn dort konnte gezeigt werden, dass die übermäßige Ausschüttung von Corticoiden assoziiert ist mit der Reduktion ihrer Rezeptoren im Hippocampus. Das führte zu folgender Annahme: Die dauerhaft verstärkte Stressantwort bei dem vernachlässigten Nachwuchs ist auf einen veränderten Regelkreises zurückzuführen, die durch eine zu geringe Anzahl von Corticoid-Rezeptoren im Hippocampus erklärbar ist. Es wirken also nicht mehr ausreichend dämpfende Signale auf die Hypophyse ein.

Ist das ein belastbares biologisches Modell für frühkindliche Traumatisierungen? Dieser Frage ging die Arbeitsgruppe von Michael Meany, Douglas Mental Health Institute, Montreal, nach (Epigenetic regulation of the glucocorticoid receptor in human brain associates with childhood abuse, Nature Neuroscience, März 2009) und untersuchte dazu Gehirne von Suizidopfern und Unfalltoten. Unter den Suizidopfern fand sich auch eine Gruppe, bei der ein Missbrauch in der Kindheit bekannt war. In dieser Population waren weniger Corticoid-Rezeptoren im Hippocampus nachweisbar. Ansonsten gab es hinsichtlich der Menge der Corticoid-Rezeptoren keinen Unterschied zwischen Suizidopfern und Unfalltoten. Es ließ sich also nachvollziehen, dass eine Traumatisierung im Kindesalter messbare Spuren im Gehirn hinterlässt, ähnlich denen des Tiermodells. Kann es eine genetische Ursache für diese Phänomen geben, beispielsweise, weil Mutationen in dem verantwortlichen Glucocorticoid-Rezeptor NR3C zu einer veränderten Ableserate führen? Obwohl das eher unwahrscheinlich ist, schlossen die Autoren diese Möglichkeit aus, in dem sie die entsprechenden Abschnitte sequenzierten und feststellten, dass sich die DNS-Sequenzen nicht unterschieden. Untersuchungen auf epigenetischer Ebene boten hingegen einen Erklärungsansatz.

Die molekularbiologische Epigenetik beschäftigt sich ganz allgemein mit der Organisation der DNS, unter anderem also auch damit, warum bestimmte DNS-Sequenzen abgelesen werden oder warum nicht. So regeln beispielsweise Methylierungen, darunter ist eine relativ einfache chemische Modifizierung bestimmter Basen zu verstehen, den Aktivitätsgrad eines Gens. Methyliert werden sogenannte Promotoren, DNS-Abschnitte, die das Ablesen eines Gens überhaupt erst ermöglichen. Werden diese nun verstärkt methyliert, wird das Gen regelrecht abgeschaltet und zwar dauerhaft, da Methylierungen sehr stabil sind. Und genau das ist der Grund, warum sich Neurobiologen für derartige Mechanismen so vehement interessieren: Die Epigenetik bietet eine Perspektive, um zu erklären, wie Erlebtes langfristig die Regulation von Genen beeinflusst und damit unser Verhalten prägt. In dem konkreten Fall: Hat die Misshandlung im Kindesalter epigenetische Spuren hinterlassen? Sie hat. So wies der Promoter des Corticoid-Rezeptors NRC3 eine deutlich verstärkte Methylierung auf, wodurch die Expression des Gens entscheidend beeinflusst wird. Das hat zur Folge, das zeigten die Autoren in ergänzenden Zellkulturexperimenten, dass die Ableserate von NRC3 drastisch verringert wird.

Aus den dargestellten Ergebnissen lässt sich also ableiten, dass Traumatisierungen im Kindesalter nachweisbare Spuren im Hippocampus hinterlassen. Die niedrigen Konzentrationen des Corticoid-Rezeptors NR3C und die damit einhergehende verstärkte Methylierung seines Promoters sind als spezifisch für die Misshandlung zu deuten und bieten eine gute Erklärung für die gestörte Stressregulation. Eine weitere Bedeutung dieser Arbeit liegt darin, dass eine Gen-Umwelt-Beziehung dargestellt werden konnte, die mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit krankheitsrelevant ist. Interessant ist hierbei der Perspektivwechsel. Während die Betrachtungsweise der Genetik nämlich dadurch geprägt ist, die Wirkungen eines oder mehrerer Gene zu verfolgen, bietet die Epigenetik nun also die Möglichkeit, komplexeren Erklärungsmustern nachzugehen, nämlich wie die Genregulation durch Umweltvariablen beeinflusst werden kann. Anders ausgedrückt: Mittlerweile sind die theoretischen und technischen Voraussetzungen gegeben, sich mit der Frage zu beschäftigen, wie unser Genom durch Lebensumstände gesteuert wird. Die biologisch ausgerichtete psychiatrische Forschung steht angesichts dieser Möglichkeiten allerdings vor alt bekannten Problemen, denn der Ort, an dem die interessanten Veränderungen stattfinden, ist nach wie vor schwer zugänglich – das Gehirn.

Carl Rosen

Stammzellen aus Fibroblasten

In den letzten Jahren wurde ehrgeizig der Ansatz verfolgt, ganz normale Zellen, beispielsweise Fibroblasten in Stammzellen umzuwandeln. Fibroblasten kommen zahlreich im Bindegewebe vor und lassen sich problemlos isolieren. Die Idee: Wenn man in Fibroblasten die Transkriptionsfaktoren einschleust, die charakteristisch sind für embryonale Stammzellen (wozu diese allerdings erst einmal daraufhin untersucht werden mussten), so können sie umprogrammiert (1) werden. Transkriptionsfaktoren sind Proteine, die sich an die DNS anlagern und dadurch bestimmen, welche Sequenzen abgelesen und in RNS umgeschrieben werden (2). Technisch wurde diese Aufgabe bisher vorwiegend durch die Nutzung von modifizierten Lenti-Viren gelöst, in deren DNS die Transkriptionsfaktoren eingefügt worden sind. Integriert sich nun die virale DNS in das Genom der Wirtszelle, wie bei Lenti-Viren üblich, hat das die zuverlässige Expression dieser Transkriptionsfaktoren zur Folge (3) . Beeindruckend war, dass, einige verschiedene Transkriptionsfaktoren ausreichten, um Fibroblasten in Stammzellen zu verwandeln. In Abgrenzung zu embryonalen Stammzellen werden diese als induzierte Stammzellen bezeichnet. Dieser beschriebene Ansatz, einfache Zellen mit Hilfe von Viren, umzuprogrammieren, hat, wenn man nun tatsächlich eine therapeutische Anwendung im Blick hat, jedoch auch gewisse Nachteile, da die Anwesenheit von fremder DNS, auch transgene DNS genannt, das Entartungsrisiko erhöht. Sowohl die Integration der viralen Erbsubstanz ins Genom als auch die dauerhafte Aktivität der eingeschleusten Transkriptionsfaktoren können das Schicksal der Zelle unter Umständen so beeinflussen, dass sie unkontrolliert wächst – ein wesentliches Tumormerkmal. Da die therapeutische Verwendung von Stammzellen ohnehin mit einem erhöhten Krebsrisiko einhergehen dürfte, denn die Vielfältigkeit dieser Zellen ist eben nicht nur Chance sondern auch Fluch, muss jede zusätzlich Gefahr eines Malignoms natürlich so gut wie möglich reduziert werden.

Transgenfreie Stammzellen

Februar 2009 publizierte Rudolf Jänisch, MIT, eine Arbeit, die für dieses Problem eine Lösung vorschlägt (Soldner et al., Cell 2009). So wurde der mittels Virus eingeschleuste DNS-Abschnitt, der die Information für die Transkriptionsfaktoren trägt, mit Erkennungssequenzen flankiert, die es erlauben, die kritische Sequenz wieder zu entfernen. Nach erfolgter Umprogrammierung kann also der Abschnitt herausgeschnitten werden, der die Verwandlung vom Fibroblasten zur Stammzelle gesteuert hat. Diese elegante Methode ist sicherlich ein wesentlicher Fortschritt, um das Entartungsrisiko der umprogrammierten Zellen zu reduzieren. Allerdings bleiben immer noch Reste der eingeschleusten DNS im Wirtsgenom zurück, allerdings nur in sehr geringfügigem Ausmaß.

Eine alternative Strategie, die gänzlich auf den Einsatz von Viren verzichtet, wurde nahezu zeitgleich veröffentlicht (Yu et al., Science 2009). Die Autoren verwenden ein Plasmid, um die Transkriptionsfaktoren in die Fibroblasten einzuschleusen. Plasmide sind in sich geschlossene DNS-Ringe, die in der freien Natur in Bakterien anzutreffen sind. Seit vielen Jahren gehören sie in den Werkzeugkasten jedes molekularbiologischen Labors, um beispielsweise Gene in sie einzufügen. Da Plasmide relativ klein sind, können Zellen dazu veranlasst werden, sie aufzunehmen. Im Kontext der Zellumprogrammierung ist nun relevant, dass Plasmide, im Gegensatz zu der viralen DNS, nicht dauerhaft im Chromosom verankert werden. Aus diesem Grund gehen Plasmide allerdings auch nach der Zellteilung verloren, da extrachromosomale DNS üblicherweise nicht repliziert wird (4) . Üblicherweise heißt: Die Autoren benutzen ein für diese Problemstellung konstruiertes Plasmid, in das Epstein-Barr-Virus-Sequenzen eingebaut worden sind, die eine extrachromosomale Replikation ermöglichen. Die Weitergabe an der extrachromosomal replizierten DNS ist allerdings leicht fehlerhaft, so dass etwa bei jeder zwanzigsten Zellteilung das Plasmid verloren geht. Ein zusätzlich eingebautes Gen, das die Resistenz gegen ein Antibiotikum kodiert, ermöglicht es allerdings, ausschließlich Zellen zu vermehren die das Plasmid aufgenommen haben. Alle anderen gehen zugrunde. Diese seit langem etablierte Vorgehensweise wird als Selektion bezeichnet. Dadurch wird schließlich auch gewährleistet, dass nur die Fibroblasten für eine weitere Entwicklung ausgewählt werden, in denen die Transkriptionsfaktoren die Umprogrammierung gestalten. Doch nun kommt der Clou. Nach der abgeschlossenen Umprogrammierung wird das Selektionsmedium, also das Antibiotikum, entzogen. Aufgrund der fehlerhaften Weitergabe des extrachromosomalen replizierten Plasmids verschwindet dieses nach dem Durchlaufen weiterer Zellzyklen. Derart induzierte Stammzellen sind also frei von jeglicher transgener DNS. Sie dürften weitaus weniger zur Entartung neigen und bieten sich somit zum therapeutischen Einsatz bei Menschen an.

Wettrennen auf Patente

Was kann man mit diesen Zellen nun anfangen? Wenn sie sich in unterschiedliche Zelltypen differenzieren lassen, beispielsweise Neurone oder Herzmuskelzellen, dann wäre es tatsächlich möglich, unterschiedliche Gewebetypen zu ersetzen. Für jedes Individuum ließen sich dann also Stammzellen nach Bedarf produzieren. Der Parkinsonpatient würde sich ein paar Zellen in das Gehirn einpflanzen lassen; vom Infarkt zerstörte Herzmuskel ließen sich wieder reparieren undsoweiter. Die Hoffnungen sind also groß, sowohl therapeutisch als auch wirtschaftlich. So ist es auch nicht erstaunlich, dass die Veröffentlichungen zu diesem Thema geradezu explodiert sind. Bis vor ein paar Jahren kannten die Experten sich noch per Handschlag. Mittlerweile machen sie eine Kleinstadt aus, eine Kleinstadt, in der sich die Nachbarn eifrig beäugen und nach Patenten gieren. Bei Mäusen funktionieren die Zellen immerhin schon ganz gut. Was sie dem Menschen bringen, wird sich zeigen. Sicher ist: Wenn es funktionert – und in irgendeiner Art und Weise wird es früher oder später funktionieren – dann wird es uns verändern. Uns alle.

Carl Rosen

Anmerkungen und Korrespondenz:

1. Die Perspektive auf biologische Vorgänge wurde erheblich beeinflusst durch Norbert Wieners Cybernetics – About Information and Control in the Animal and the Machine. Nicht zufällig findet sich in der Molekulargenetik ein Vokabular, das sich an die Semantik des Schreibens und Lesens orientiert, beispielsweise Transkription, Translation (siehe dazu Lily E. Kay, Who wrote the book of life?, 2000).

2. Eine bestimmte Klasse von RNS-Molekülen dient wiederum als Vorlage, um Protein herzustellen.

3. Grundsätzlich lassen sich durch Viren natürlich auch andere Proteine in Zellen einschleusen. Allgemein dienen Viren in diesem Kontext als Vehikel, um DNS (die dann in RNS umgeschrieben und in Proteine übersetzt wird) in Zellen einzubringen.

4. Unter Replikation wird in der Molekularbiologie die Verdoppelung der Erbsubstanz verstanden. Die Replikation wird zellzyklusabhängig reguliert, ist also gekoppelt an die Zellteilung.