Die Koordination der Genfunktion: Genetische Kontrolle zellulärer Differenzierung

Überblick

Die Besprechung der genetischen Ursachen für die Entstehung von Tumoren hat uns bereits zu einem höheren Niveau genetischer Fragestellungen geführt: Wie bewirken Gene die Entstehung von Zellen mit unterschiedlichen Funktionen?

Lange Zeit war man der Meinung, daß die verschiedenen Zelltypen eines multizellulären Organismus im Prinzip alle die gleichen genetischen Fähigkeiten besitzen und letztlich in der Lage sind, einen vollständigen Organismus neu entstehen zu lassen. Diese Fähigkeit hat man mit dem Begriff der Totipotenz von Zellen umschrieben. Hierfür gab es vor allem Argumente, die sich aus embryologischen Experimenten ableiteten. Heute müssen wir einsehen, daß diese Ansicht nur begrenzt richtig ist. Zumindest in einigen Zelltypen haben sich irreversible Veränderungen in der Genom-DNA abgespielt, die mit der Funktion des betreffenden Zelltyps in Bezug stehen. Inwieweit alle Zellen eines Organismus solche DNA-Veränderungen durchlaufen haben, läßt sich gegenwärtig kaum einschätzen, und es wird noch lange dauern, bis es darüber Gewißheit gibt. Immerhin ist es, nach zeitweilig gegenteiligem Anschein, eine Tatsache, daß viele Zellkerne differenzierter Zellen nach Transplantation in ein entkerntes befruchtetes Ei nicht in der Lage sind, einen vollständigen Organismus entstehen zu lassen.

Beispiele für die Veränderungen von DNA in Zusammenhang mit zellulärer Differenzierung bieten uns nicht nur Einzeller wie Hefen oder Ciliaten, sondern auch Gene, die eine zentrale Rolle im Säugerimmunsystem spielen: die Immunoglobulingene.

Der eigentlichen Differenzierung von Zellen geht, oft frühzeitig in der Entwicklung, eine Determination für einen bestimmten Entwicklungsweg im Organismus voraus. Worauf solche Determinationsvorgänge auf der molekularen Ebene beruhen, ist bisher ungeklärt. Die Chromosomen bzw. Gene müssen Signale für bestimmte Differenzierungsfähigkeiten empfangen und über viele Zellgenerationen hinweg aufbewahren, bevor sie diese Signale in eine entsprechende Reaktion umsetzen, d.h. bevor sie mit der eigentlichen Differenzierung in Richtung auf eine bestimmte Zellfunktion beginnen. Als Signale kommen Modifikationen der DNA selbst, z.B. durch Methylierung, oder Modifikationen chromosomaler Proteine, z.B. durch Acetylierung oder Phosphorylierung, in Betracht, die einen Einfluß auf die Verpackung der DNA im Chromosom und damit den Funktionszustand der betreffenden Chromatinregion, aber auch auf den Zeitpunkt der Replikation des betreffenden Chromosomenabschnittes, ausüben. Wir treffen in diesem Zusammenhang also erneut auf Fragestellungen, die bereits in Zusammenhang mit der Betrachtung der Struktur der Chromosomen aufgeworfen wurden.

Dieses sterische molekulare Modell zeigt die Bindung eines Antigens (oben) an einen Antikörper (unten). Die Kontaktzonen beider Molekiile sind sterisch genau aufeinander abgestirnmt (Mitte). (Photo: P. Colman, Melbourne)