II. Alternatives Spleissen - mehrere Proteine aus einem Gen

Wie können aus einem Gen mehrere Proteine entstehen? 
Die Antwort heisst: hauptsächlich durch alternatives Spleissen. 
 

 
Erläuterungen:

Spleissen nennt man das Herausschneiden der nicht codierenden Bereiche aus der mRNA-Vorstufe, der Prä-mRNA, und das Zusammenschweissen der verbleibenden Abschnitte zur endgültigen mRNA. Katalysiert und gesteuert wird der Vorgang durch multifaktorielle Komplexe, genannt Spleisseosomen. Das Herausschneiden erfolgt spezifisch an bestimmten Sequenzstellen, die das Spleisseosom erkennt. Seit Kurzem weiss man, dass es von diesen Erkennungssequenzen verschiedene Arten gibt, so dass alternative Spaltstellen existieren. Je nach dem von welchen Spaltstellen bei einem Spleissvorgang Gebrauch gemacht wird, können beim Zusammenschweissen bestimmte abgelesene, d.h. codierende Abschnitte (Exons) ausgelassen werden, oder es kann ein im Normalfall nicht abgelesener Teil (Intron) durchgelesen und ebenfalls in Proteinsequenzen übersetzt werden. Angenommen, ein Gen hat 6 Exons. Dann kann es Spleissvarianten geben, die aus den Exons 2,3,4,5,6 bestehen oder 1,2,3,5,6 oder so ähnlich (s.a. die Beispiele unten).
 
 

 
 

Die Vielfalt der Spleissvarianten nach Anzahl, Ort und Spezifität ist sehr gross

Bei Genen mit mehreren alternativen Spleissstellen ist durch Kombinationen theoretisch eine sehr grosse Zahl von Varianten möglich. Man weiss noch nicht, ob die Natur von der gesamten theoretischen Vielfalt auch Gebrauch macht, und wenn nicht, wie die Auswahl getroffen und reguliert wird. Für etliche Gene werden Zahlen für mögliche Spleissvarianten von mehreren zig-Tausend angegeben. Manchmal sind mehrere Varianten gleichzeitig in einer Zelle anzutreffen. Es gibt aber auch gewebe- oder entwicklungsspezifische Spleissmuster (1). Manche Spleissvarianten sind äusserst selten, weil sie nur in wenigen Zellen in bestimmten Situationen gebildet werden (2). 
 
 

Wieviele der Gene werden alternativ gespleisst?

Oft heisst es 35% (3) , aber auch 40 und 45% können alternativ gespleisst werden. Von den selten auftretenden Spleissformen sind längst noch nicht 
alle gefunden und die Gen-Sammlungen enthalten manche der menschlichen Gene gar nicht und von den übrigen meist nicht die vollständige Sequenz 
(oft nur die EST-Anteile, das sind 200 bis 300 Nucleotide lange, nur zur Wiedererkennung eines Gens dienende Sequenz-"Schnipsel"), so dass man die Zahl ihrer Spleissvarianten nicht feststellen kann. Deshalb wird angenommen, dass der Anteil der Gene mit mehrfachen Spleissmöglichkeiten auf über 50% steigen könnte (4). 
 
 

Sind Minivarianten Irrtümer der Zelle?

Da die Varianten Teile ihrer Sequenzen gemeinsam haben, haben ihre Eigenschaften ebenfalls oft Gemeinsamkeiten. Manche unterscheiden sich in ihrer Wirkung gar nicht, sie stellen möglicherweise nur eine Art Unschärfe in den Strukturen dar, die nach den bisherigen Erkenntnissen ohne Auswirkungen auf die Funktion ist. Diese Minivarianten werden als "noise" bezeichnet, als eine Art statistisches Rauschen, von dem man vermutet, dass es auf Irrtümern der Zelle beruht (5). Das erinnert daran, dass die überwiegende Mehrheit der DNA "Junk" (Abfall) genannt wurde, nur weil man bei ihnen keine Funktion vermutet hat. Inzwischen mehren sich Anzeichen für eine ganze Reihe von Funktionen dieser angeblichen Abfall-DNA. Bei den Minivarianten scheint es ähnlich zu sein, denn bei einem Vergleich verschiedener Arten der Fruchtfliege (Drosophila) wurde gefunden, dass einige der Minivarianten konserviert sind (d.h. in der evolutionären Entwicklung beibehalten wurden) und das ist immer ein Zeichen für eine Funktion von unverzichtbarer Bedeutung. Nun hofft man auf die Auswertung der soeben abgeschlossenen Mäusegenom-Sequenzierung (Aug. 02), um durch einen Vergleich mit dem Menschen Aussagen darüber machen zu können, welche dieser Varianten bei uns eine Bedeutung haben könnten. Hierzu sollen RNA-Bibliotheken (s.später) eingerichtet werden mit RNAs, die komplementär zu alternativen Exons sind. Damit könnte man Transkripte inaktivieren, die ganz bestimmte Exons enthalten. Hat man sie auf diese Weise ermittelt, kann man versuchen auf ihre Funktion zu schliessen (4). 
 
 

Die Varianten und ihre Eigenschaften sind nicht zählbar

Obwohl die Erforschung des Spleissens noch am Anfang ist, weiss man von einigen Genen, dass sie Tausende von Proteinvarianten produzieren mit einem ganzen Spektrum von Eigenschaften, von denen manchen untereinander sehr ähnlich sind und andere davon stark abweichen. Es können sogar antagonistische, also entgegengesetzte, Eigenschaften darunter sein (6,7) oder solche, die gar nichts miteinander zu tun haben. Ein solches Eigenschaftsspektrum kann sich mit dem eines verwandten Gens überlappen. Das bedeutet, dass die Funktionsunterschiede der Proteinvarianten ein und desselben Gens grösser sein können als die Unterschiede zu Proteinen anderer Gene. Unter solchen Umständen wird ein Abzählen von Proteinen unmöglich. Das heisst, seriöse Angaben über die Zahl der Proteine 
sind eigentlich nur denkbar, wenn man die Höhe von Unterschieden definiert, ab denen man zwei Proteine als nicht mehr gleich betrachten will. Entsprechendes gilt natürlich auch für die damit verbundenen Eigenschaften. Aber da Definitionen immer eine gewisse Willkür enthalten, heisst das, dass unanfechtbare, eindeutige Zahlenangaben über die Anzahl verschiedener Proteine nicht möglich sind.
 
 

Abweichende Muster von Spleissvarianten bei Krankheiten

Abweichende Konzentrationen bestimmter Varianten können ein Anzeichen und/oder eine Ursache für krankhafte Veränderungen sein (8). 15% der Mutationen, die eine Krankheit verursachen, betreffen das Spleissen (1). Daher wird den Spleissvarianten eine immense Bedeutung für Diagnosen und die Entwicklung von Medikamenten zugesprochen. 
 

Myotone Dystrophie, eine Folge von zwei falsch gespleissten Genen

Bei der Krankheit Myotone Dystrophie (einer Form von Muskelschwund) werden in den Skelettmuskeln von zwei Genen abnomale Spleissvarianten produziert. 

1. Das eine ist das Gen für ein Protein, das Chloridionen durch Zellmembranen transportiert, es ist das Protein, das die Chloridionen-Kanäle bildet. Durch die Wahl einer falschen Spleissstelle wird ein zusätzlicher Sequenzbereich des Gens abgelesen (es entsteht ein zusätzliches Exon. Als Folge davon wird ein Kanalprotein mit schwächerer Aktivität produziert.(9) Wegen des dadurch abgeschwächten Ionenflusses kann der Muskel nach einer Kontraktion nur verzögert wieder entspannt werden. Dadurch entsteht die Muskelpannung, die Myotonie, das namengebende Symptom der Krankheit. (10,11) 

2. Das andere in den Muskeln falsch gespleisste Gen ist das Gen für einen Insulinrezeptor. In diesem Fall wird durch die falsche Spleissstelle ein Protein produziert, das zwar im gesunden Körper auch anzutreffen ist, aber in anderen Geweben als den Muskeln. Es verleiht den Zellen eine verminderte Ansprechbarkeit auf Insulin. 

Wie kommt es zur Wahl der falschen Spleissstellen? Im Falle des Insulinrezeptors gibt es hierfür einige Anhaltspunkte. Man hat herausgefunden, dass man auch gesunde Muskelzellen dazu veranlassen kann, den falschen Rezeptor herzustellen, wenn man sie mit einer höheren Konzentration eines bestimmten Proteins inkubiert. Tatsächlich ist die Konzentration eben dieses Proteins in kranken Muskelzellen erhöht. 

Nähern wir uns dem Problem vom Anfang des Geschehens her: Die genetische Ursache der Myotonen Dystrophie ist die starke Verlängerung eines DNA-Bereiches, der aus einer grossen Zahl von Wiederholungen weniger Nucleotide (Repeats) besteht. Beim Typ 1 der Myotonen Dystrophie sind es die drei Nucleotide CTG und beim Typ 2 die vier Nucleotide CCTG.(12,13) Ein CTG-Repeat kann das Trinucleotid CTG bis zu 4000mal enthalten (9) und in einem CCTG-Repeat können sogar 11 000 Exemplare des Tetranucleotids hintereinander aufgereiht sein.(14) Bei beiden Krankheitsformen befinden sich die Repeats  in nicht-codierenden Abschnitten. Sie werden also nicht in Proteine übersetzt, wohl aber werden sie in die entsprechenden RNAs umgeschrieben, transkribiert. Aus CTG wird dann CUG und aus CCTG wird CCUG, d.h. die Abfolge „CUG“ kommt in beiden vor. 

Wenden wir uns nun wieder dem oben erwähnten Protein zu, das auch in gesunden Zellen falsches Spleissen auslösen kann. Das Protein bindet spezifisch an CUG und wird als CUG-BP (CUG-bindendes Protein) bezeichnet.(9) Ausserdem ist es ein Spleissregulator (15) und wird durch erhöhte Konzentrationen seines Bindungspartners CUG induziert, d.h. vermehrt gebildet. (15,16) 

Damit sieht der Gesamtablauf des Krankheitsmechanismus so aus: 

 - Das Genom der Erkrankten enthält verlängerte CTG- oder
    CCTG-Repeats, 
 - die CTG-Sequenzen der DNA werden in die entsprechenden 
    CUG-Sequenzen der RNA transkribiert, 
 -  die CUG-RNA-Sequenzen induzieren die Produktion eines 
     CUG-bindenden Proteins, 
 -  das CUG-bindende Protein, das gleichzeitig ein Spleissregulator ist,
     schaltet auf einen anderen Spleissmodus um, 
 -  da diese andere Spleissstelle für Nicht-Muskel-Gewebe charakteristisch
     ist, verliert der Muskel eine seiner essentiellen Eigenschaften. Er kann nicht 
     mehr im selben Masse auf Insulin reagieren, was die Verwertung von 
     Zucker als Energiequelle beeinträchtigt und damit die Leistungsfähigkeit 
     des Muskels verringert. Das ist ein zweites Symptom der Krankheit. 
     Die Muskeln sind nicht nur zu stark gespannt sind (Symptom
     Muskelspannung =  Myotonie), sondern auch kraftlos (Symptom
     Muskelschwäche). (Zu den an  diesen Vorgängen beteiligten Genen
     vgl. Teil IV, A) 
 

Gewebespezifität durch Spezifität für einzelne Spleissvarianten?

Man denkt daran, Medikamente zu entwickeln, die nur gegen eine der Spleissvarianten wirksam sind, und damit nur auf das betroffene Gewebe wirken, das eben diese Variante enthält. Im Umkehrschluss bedeutet das, dass eine gleichmässige Wirkung eines Medikamentes auf alle Varianten bei bestimmten Krankheiten eine Ursache für Nebenwirkungen sein kann (8). Wegen der medizinischen Bedeutung wurden Datenbanken für alternative Spleissvarianten eingerichtet (6). 
 

Die Deutung von Mutationen muss neu bewertet werden

Die Entschlüsselung des genetischen Codes rief Anfang der 60er Jahre des vorigen Jahrhunderts bei vielen Menschen, Wissenschaftlern und Nicht-Wissenschaftlern, eine ungeheure Faszination hervor. Sie galt der Tatsache, dass die Natur für die Information 
in unseren Genen eine Art von Schrift aus dreibuchstabigen Wörtern erfunden hat und darüberhinaus einen Code entwickelt hat für die Übertragung dieser Schrift in eine 
andere Schrift, nämlich die Abfolge der Aminosäuren in den Proteinen. 
 
 

 
Erläuterungen: 

Jeweils drei aufeinanderfolgende Nucleotide bilden ein Codon, d.h sie bestimmen eine Aminosäure. Beispiel: ACU bedeutet Threonin, GAG steht für Arginin und ACUGAG für das Dipeptid Threonyl-Glutaminsäure. Da es vier Nucleotid-„Buchstaben“ gibt (T, A, C und G), lassen sich 64 verschiedene Dreierkombinationen daraus bilden. Dem stehen nur 22 verschiedene mögliche Bedeutungen gegenüber: 20 Aminosäuren sowie Start- und Stopfunktion. So kommt es, dass die meisten Aminosäuren durch mehr als ein Codon bestimmt werden können. 
 

 

Stellen wir uns nun vor, es kommt in einem Triplett zu einer Punktmutation, dann kann dieses Triplett sich entweder in das Codon einer anderen Aminosäure verwandeln oder in ein anderes Codon für dieselbe Aminosäure.

Hierfür ein Beispiel: 
GAG codiert für die Aminosäure Arginin, 
GAA codiert ebenfalls für Arginin 
GUG dagegen codiert für die Aminosäure Valin. 
Wenn aus GAG durch eine Mutation GUG wird, so ist die Folge, dass ein Argininrest gegen einen Valinrest ausgetauscht wird. Trifft die Mutation aber auf das letzte der drei Nucleotide und  aus GAG entsteht GAA, dann bleibt das Protein unverändert, weil GAA ebenfalls für Arginin codiert. Solche Mutationen werden „stumme“ Mutationen genannt und man hielt sie für genetisch neutral, d.h. man meinte sie hätten, weil sie das codierte Protein 
nicht verändern, keinerlei Auswirkungen. 

Inzwischen stellte sich  jedoch heraus, dass solche stummen Mutationen einen fundamentalen Einfluss auf das  alternative Spleissen haben können, dadurch dass  sie neue Spleissstellen schaffen oder vorhandene zerstören. (1)

Die neuen Erkenntnisse zeigen, dass es falsch war, nur aus der Sequenz entscheiden zu wollen, welche der Punktmutationen (z.B. welche der cSNPs) genetisch stumm sind, sondern dafür müssen auch ihre Wirkungen auf das Spleissen untersucht werden. (1)

 
Erläuterungen: 

SNPs  (single nucleotide polymorphisms = Einzelnucleotid-Polymorphismen)  sind Punktmutationen mit einer Häufigkeit ab 1%. (Wegen SNPs vgl. Pharmakogenetik, Teil III). cSNPs nennt man SNPs in den codierenden Bereichen.
 

 

Auf diese Weise wurden  nicht nur Mutationen fälschlicherweise für stumm erklärt, sondern es wurden möglicherweise auch Wirkungsmechanismen falsch gedeutet. Angenommen durch den cSNP wird eine Aminosäure ausgetauscht und man stellt eine Wirkung dieser Mutation fest, so wurde diese Wirkung der Proteinregion zugeschrieben, die den Austausch enthält, während in Wirklichkeit durch den Einfluss auf das Spleissen vielleicht ein ganzes Exon weggefallen ist(1). 

Umgekehrt kann ein cSNP als Krankheitsursache übersehen werden, weil er keinen Effekt auf das Protein hat, während er in Wirklichkeit durch seinen Einfluss auf das Spleissen sehr wohl Krankheitssymptome verursacht.(1) Mutationen, die das Spleissen verändern, können ein Protein grossräumig verändern und somit viel grössere Auswirkungen haben, als wenn sie nur zu einer anderen Aminosäuresequenz des Proteins an dieser Stelle führen. 

Bis vor kurzem hat man geglaubt, dass die Komplexität multizellulärer Organismen hauptsächlich durch das Ein- und Ausschalten vieler Gene bewirkt wird. Nun sieht man, dass komplexe Vielfalt hauptsächlich durch das alternative Spleissen bewirkt wird. Dadurch kann dasselbe Genmaterial in unterschiedlicher, abgestufter, variierter Form vielfach Verwendung finden. 
 

Den bisher in der Gentechnik transferierten Genen fehlt 
die natürliche Variationsbreite

Beim Zelloberflächenprotein CD44 wurde eine überraschende Entdeckung  gemacht: Verkürzt man die Introns, so wird das alternative Spleissen gehemmt  und nur noch die Grundform exprimiert (konstitutionelle Expression). Bei den bisherigen Gentransfers (also bei der Produktion transgener Lebewesen und bei den Gentherapieversuchen) wurden wegen des notorischen Platzmangels in den Transportmolekülen (Gen-Fähren) alle oder fast alle Introns herausgeschnitten.  D.h. man hat diesen Genen, ohne es zu wissen, nur eine stark eingeschränkte Funktionsbreite mit auf den Weg gegeben.

 
Funktionen von Spleissvarianten

Im Folgenden sollen ein paar Beispiele über bisher bekannte Funktionen solcher Spleissvarianten aufgeführt werden. 

1. Beispiel: Gefäss-Endothel-Wachtumsfaktor (VEGF)
Von VEGF können fünf Varianten gebildet werden, die zwischen 121 und 206 Aminosäuren lang sind. In diesem Fall sind bereits einige Details über Struktur und Funktion der Varianten bekannt. Sie haben unterschiedliche Wirkungen auf die Blutgefässe: Bei der kleinsten Variante mit 121 Aminosäuren (VEGF121) fehlen die Exons 6 und 7, die zwei unabhängig voneinander agierende Heparin-bindende Domäne enthalten. Deshalb bindet VEGF121 schwächer und diffundiert besser. Die Variante mit Exon 6 (VEGF145) bindet an extrazelluläre Matrix, VEGF165 (mit Exon 7 statt Exon 6) bindet an eine Klasse von Rezeptoren, die von VEGF121 nicht erkannt werden. Ausserdem spielt VEGF eine wichtige Rolle in der Embryonalentwicklung (17). Wir sehen daraus, dass durch alternatives Spleissen ein ganzes Spektrum von körpereigenen Wirkstoffen entstehen kann, die für verschiedene physiologische Situationen von Bedeutung sind. 
 

2. Beispiel CD44
CD44, CD45 und CD46 sind Glykoproteine auf der Zelloberfläche von Lymphozyten mit ähnlichen Eigenschaften. Alle drei werden alternativ gespleisst, das am besten untersuchte CD44 kann möglicherweise in 1000 Varianten vorliegen. Dabei entstehen für mehrere Funktionen jeweils ein ganze Reihe von Eigenschaften: Für Adhäsionen, Signalfunktionen und für das "Homing", das ist die Wanderung zu bestimmten Stellen des Körpers, z.B. einem Entzündungsherd. Die Varianten sind zum Teil spezifisch für bestimmte Gewebe und haben Affinitäten für verschiedene Liganden (Substanzen, die gebunden werden können). Das können Substanzen der extrazellulären Matrix sein, wie Hyaluronsäure, Fibronectin und Kollagen oder extrazelluläre Wachstumsfaktoren. Auch bei der Metastasenbildung von Tumoren können sie mitspielen (18). 
 

3. Ein Beispiel für Zellspezifität
Das Gen für die Natriumpumpe NCX1 enthält sechs Exons, von zweien davon – hier mit A und B bezeichnete – muss eins vorhanden sein, um einen funktionsfähige Natrium/Kalium-Austauscher zu gewährleisten. In Astrozyten (einer Zellart im Gehirn) wurden drei Varianten gefunden, die alle das Exon B enthielten, in Neuronen (Nervenzellen) dagegen fand man zwei Isoformen, beide mit Exon A (19). 
 

4. Ein Beispiel für entgegengesetzte (antagonistische) Eigenschaften
Am programmierten Zelltod (Apoptose) sind mehrere alternativ gespleisste Gene beteiligt. Hier wird das alternative Spleissen dazu verwendet, entgegengesetzt wirkende Produkte herzustellen. Die einen bewirken den Zelltod, und die anderen verhindern ihn (7). 
 

5. Ein Beispiel für völlig unverwandte Eigenschaften
Bei Ratten wurde ein Gen gefunden, von dem eine Variante in der Schilddrüse Calcitonin produziert (ein Calcium regulierendes Hormon), und eine andere im Gehirn ein Neuropeptid (20). 
 

6. Beispiel Krebsgeschehen
Auch zwischen Spleissvarianten und Tumoren wurden Zusammenhänge gefunden, die klinische Bedeutung bekommen könnten. Bei Brustkrebs wird das Gen für Cyclin E überexprimiert, mit der Folge, dass Cyclin E in vielen niedermolekularen Varianten vorliegt, die eine verstärkt aktivierende Wirkung auf die Tumorentwicklung haben (21). Auf dieser Basis wären Tumormarker denkbar. (Cycline spielen eine Rolle bei der Regulation der Zellteilung). 
 

7. Ein weiteres Beispiel für die Beteiligung von Spleissvarianten am Krebsgeschehen
Auch das extrazelluläre Matrix-Molekül Tenascin wird in Tumoren (u. zw. bei Gliomen, das sind Tumore des Stützgewebes im Gehirn) vermehrt gebildet, wobei sich ebenfalls das Spektrum der Isoformen ändert. Vermutlich wird dadurch die Wanderung der Tumorzellen beeinflusst (22). 
 

8. Beispiel Bräunung der Haut durch Sonnenstrahlung
Das Enzym Tyrosinase wandelt die Aminosäure Tyrosin in der Haut zu Dopa um, einer Vorstufe des schwarzen Farbstoffes Melanin. Das Gen für Tyrosinase wird alternativ gespleisst und die Regulatoren dafür sind UV-abhängig. Auf diese Weise wird unter UV-Bestrahlung eine aktive und in Abwesenheit von UV-Licht eine inaktive Tyrosinase gebildet. Das ist der Mechanismus dafür, dass unsere Haut durch die Sonne gebräunt wird (23). 

 

9. Beispiel Neurohormone
Für das Neurohormon 5-Hydroxytryptamin (5HT, auch Serotonin genannt) gibt es mindestens 14 verschiedene Rezeptoren, darunter auch Spleissvarianten. Dieses Stoffwechselgeschehen ist besonders brisant, weil Serotonin mit kognitiven Fähigkeiten und verschiedenen Persönlichkeitseigenschaften in Zusammenhang gebracht wird, mit Aggressivität, Gewaltverhalten und Kriminalität (24,25), mit Alkoholismus (26) oder sogar Autismus (27). Das bedeutet, dass man sich hier von Erkenntnissen auch Eingriffsmöglichkeiten in die Psyche erhofft(!). 

 
Spleissvarianten erschweren Homologievergleiche zwischen DNA und Proteinen

Spleissvarianten erschweren es, aus der DNA-Sequenz auf die Proteinsequenz zu schliessen, was auch Funktionsvorhersagen durch den Vergleich mit 
bereits bekannten homologen Proteinen erschwert (s. später). Solche Funktionsvorhersagen werden besonders dann erschwert, wenn  an der Regulation des Spleissens auch trans-aktive Faktoren beteiligt sind, d.h. Faktoren, die von einem Gen auf einem anderen Chromosom codiert werden, so dass sie bei der Analyse des Gen-Umfeldes nicht erfasst werden können. Das wurde für das BRCA1-Gen gefunden (2). Welche Software soll solche Reaktionspartner erkennen? Gene für Spleissregulatoren können ihrerseits selbst alternativ gespleisst werden, wodurch die Komplexität der Regulation immens erhöht wird (10). 
 
 

Spleissen, Genzahl und Evolution

Als die niedrige Zahl menschlicher Gene bekannt wurde, war eins der erschreckten Argumente: Wie kann es sein, dass dieses einzigartige Wesen "Mensch" nicht mehr und z.T. sogar weniger Gene besitzt als andere Lebewesen? Wenn der Mensch auf einer höheren Organisationsstufe steht, muss sich das dann nicht in einer höheren Zahl von Genen widerspiegeln? Der Genetiker Hermann Muller hat jedoch schon vor der Entdeckung der nicht codierenden Bereiche vorhergesagt, dass der grösste Teil der DNA höherer Lebewesen nicht aus Genen bestehen könne. Seine Argumentation dazu war, dass wegen der festliegenden Mutationsrate die Zahl der neu stattfindenden Mutationen mit der Zahl der Gene steigen müsse. Würde die DNA nur aus Genen bestehen, so müsste die Zahl der Mutationen pro Generation und Mensch mehrere Dutzend betragen statt der tatsächlich vorkommenden 1 oder 2. Und das wäre eine zu hohe genetische Belastung (23). Wird dagegen ein Gen mit mehreren Spleissvarianten von einer Mutation betroffen, so werden wahrscheinlich nicht alle Varianten die geschädigte Stelle enthalten. Da die Varianten oft vergleichbare Aktivitäten besitzen, wäre der Schaden dann eher kompensierbar. Könnte es sein, dass die Zahl der Gene durch die Mutationsrate begrenzt wird, so dass nach Erreichen einer Grenzzahl der bessere Weg für die Fortsetzung der Evolution in der Erhöhung der Zahl von Varianten liegt?
 

Wenn eine höhere Zahl von Gen-Varianten einen Schutz gegen Mutationen darstellt, so müsste eine höhere Zahl von Genen mit überlappenden Funktionen einen ähnlichen Schutz bieten können. D.h. die Mutationsrate müsste einen Selektionsdruck zugunsten einer grösseren Zahl von Genen mit überlappenden Funktionen erzeugen. Auch von dieser Strategie macht die Natur Gebrauch. Beide Möglichkeiten zusammengenommen bedeuten jedoch, dass die Zahl der Gene kein strenger Massstab für die Komplexität und schon gar nicht für die Entwicklungsstufe eines Organismus sein kann. 
 
 

Gehirnentwicklung: grosse Steigerung der Funktion durch geringe Erhöhung der Gen-Zahl

Das Problem, dass die Komplexität einer hohen Entwicklungsstufe zu hoch werden kann für eine Erfassung in der Sprache der Gene tritt auch bei der Funktion des Gehirns auf. Hierzu schreibt der Nobelpreisträger Christian de Duve: Zu Anfang der Evolution sei die Verknüpfung der Neuronen in allen Einzelheiten genetisch festgelegt gewesen, z.B. noch beim Fadenwurm Caenorhabditis elegans (s. Teil VII, C). Mit fortschreitender Evolution nahm die Zahl der Neuronen und ihrer Verbindungsmöglichkeiten dann so stark zu, "dass die Information für den gesamten Aufbau des Netzwerkes unmöglich im Genom untergebracht werden konnte. Nur die Genkombination für die verschiedenen Typen differenzierter Nervenzellen blieben streng vorgegeben, und daneben gab es eine kleine Zahl chemischer Richtlinien, die die Zusammenlagerung der Zellen räumlich und zeitlich steuern, meist über Zelladhäsionsmoleküle und Substratadhäsionsmoleküle sowie über gezielt freigesetzte Wachstumsfaktoren. Der übrige Bauplan entsteht epigenetisch, d.h. im Laufe der Entwicklung (28)." Mit einer solchen Kombination aus genetisch vorgegebenen Anstössen und einer durch die komplexe Gesamtsituation weitergeführten Entwicklung kann eine hohe Steigerung der Funktion mit einer geringen Erhöhung der Genzahl erreicht werden. 
 
 

Diese Schilderung der Gehirnentwicklung macht ausserdem anschaulich, dass man kaum damit rechnen kann, Gene zu finden, die für die eine oder andere Form von Intelligenz oder einer anderen Gehirnleistung zuständig sind, sondern nur Gene, die auf kaum spezifische Weise für besere Entwicklungsanstösse sorgen können. 
 

Alternatives Spleissen ist in hochkomplexen Systemen häufiger

Übrigens kommt alternatives Spleissen am häufigsten bei Genen für Membranrezeptoren, Immunglobuline und Genen für Proteine des Nervensystems vor (29). Das ist in Übereinstimmung mit der Vorstellung, dass es seine Hauptrolle in hochkomplexen Prozessen spielt. 

Noch ein Wort zur Organisationshöhe des Menschen. In Bezug auf "alte" biologische Funktionen ist der Mensch nicht höher organisiert als (andere) Säugetiere. Die Sonderstellung verdankt er nur einer Sonderentwicklung 
seines Gehirns und die ist biologisch derartig jung, dass sie schon deshalb 
eher in peripheren Bereichen der Funktionen angesiedelt sein muss als in den evolutionär sich nur langsam verändernden Genen. Andererseits, warum sollten einem gut funktionierenden Verstand mehr Gene zukommen als z.B. dem hoch komplexen Geruchssinn eines Hundes, der ihm eine Wahrnehmungswelt erschliesst, von der wir uns keine Vorstellung machen können? Ganz abgesehen von vielen Spezialfähigkeiten bei anderen Lebewesen, wie z.B. dem dem Aussenden von Lichtblitzen oder elektrischen Schlägen bei einigen Meerestieren oder dem Erkennen der Polarisationsebene des Lichtes bei Vögeln u.v.a.

(2 )  T.I. Orban u. E. Olah, Purifying selection on silent sites – a constraint from 
       splicing regulation?, Trends in Genetics, Bd. 17, S. 252-253 (Mai 2001).

(3)  T. Reiss, Drug discovery of the future: the implications of the human
       genome project, Trends in Biotechnology Bd. 19, S. 496-49 (Dez. 2001).

(4)  B.R. Graveley, Alternative splicing: increasing diversity in the proteomic world, Trends
      in Genetics Bd. 17 S.100-107 (Feb. 2001).

(5)  H. Michel, Die Sequenzierung des Humangenoms – aufs falsche Pferd gesetzt? 
       Biospektrum 1/99 S. 4.

(6)  I. Dralyuk, M. Brudno, M.S. Gelfand, M. Zorn u. I. Dubchak, Nucleic Acid Research, 
       Bd. 28, S. 296-297 (2000) und M.S. Gelfand, I.Dubchak, I. Dralyuk u. M.Zorn,  Nucleic 
       Acid Research, Bd. 27, S. 301 (1999) References to the alternative splicing database: 
       ASDB: database of alternatively spliced genes; unter http://devnull.lbl.gov.8888/alt/

(7)  Jane Y. Wu, Pre-mRNA splicing and regulation of alternative splicing, Alzheimer´s 
       disease: molecular pathogenesis, vertebrate neural development, apoptose,
     http://research.medicine.wustl.edu/ocfr/Research.nsf/Abstracts/
     77507629A4E708AC8625677D00594464?OpenDocument&VW=Gerontology

(8)  Webside der Firma Compugen: Juli 2001 
     http://www.labonweb.com/sitehtml/solutions/splice_variants.html

(9)  http://www.neuro.wustl.edu/neuromuscular/musdist/pe-eom.html#dmdismech
      Myopathies & neuropathies with EOM weakness ? face & periocular involvement 
     (Jan. 2003) )

(10)  http://www.niams.nih.gov/ne/highlights/spotlight/2002/myotonic.htm  Katie Lai, 
        Faulty gene is key to understanding myotonic dystrophy, (Nov. 2002). 

(11) http://public.bcm.tmc.edu/pa/myotonicdys.htm  John Tyler, Misstep in protein formation
       causes disorder in myotonic dystrophy, (Juli 2002).

(12)  Jane Alfred, Myotonic dystrophy comes into focus, Nature Reviews Genetics Bd. 2, 
        S. 736  (Okt. 2001). 

(13) http://www.ncbi.nlm.nih.gov/htbin-post/Entrez/query?
       db=m&form=6&uid=11590133&Dopt=r
        A. Mankodi et al. Muscleblind localizes to nuclear foci of aberrant RNA in myotonic 
        dystrophy types 1 and 2, Hum. Mol. Gent. Bd. 15, S. 2165-2170 (Sep. 2001).

(14) C.L. Liquori et al., Myotonic dystrophy type 2 caused by a  CCTG expansion in intron 1 
       of ZNF9, Science Bd. 293, S. 864-867 (Aug. 2001).

(15)  http://www.nature.com/cgitaf/DynaPage.taf?file=/ng/journal/v29/n1/abs/ng704.html
        &dynoptions=doi1044702250 
       Rajesh Savkur, Anne V. Philips u. Thomas A. Cooper, Aberant regulation of insulin 
       receptor alternative splicing is associated with insulin resistance in myotonic dystrophy. 
       (Aug. 2001). 

(16)  http://courses.washington.edu/phcol535/data/May16_5.pdf  S. Sato et al. Identification 
        of transcriptional targets for SIX5: implication for the pathogenesis of myotonic dystrophy 
        type 1, Hum. Mol. Genet. Bd.11, S.1045-1058 (2002).

(17)  Z. Poltorak, T. Cohen u. G. Neufeld, The VEGF splice variants: Properties, receptors 
       and usage for the treatment of ischemic diseases, Department of Biology, Technion,
       Israel Institute of Technology, Haifa, Israel, Herz, Bd. 25, S. 126-129, (2000). 
     http://www.bnk.de/herz/herzeng/herz00_2e/polteng.htm

(18)  G. Screaton, Combining clinic and lab – Alternative splicing (Apr. 1999) 
       Internet-Seite des Wellcome Trust, 
     http://www.wellcome.ac.uk/en/l/biosfgcdpinfcsfalt.html

(19)  D.H. Schulze, A. Ruknudin, S. He u. W. J. Lederer, Alternative splicing of NCX1: 
       Demonstration of cell-specific quantitation and functional differences of isoforms (1998)
     http://www.mcmaster.ca/inabis98/lytton/schulze0881/.

(20) D. S. Chekmenev, Pre-mRNA splicing in eukaryotes – Intron structure, intron deletion, 
       algorithms and data structures. GNII genetika, 1st Dorozhny proezd, Moscow, 113545, 
       Russia; e-mail: chicha@mail.cir.ru;   http://www.bionet.nsc.ru/bgrs/thesis/75/

(21) D.C. Porter u. K. Keyomarsi, Novel splice variants of cyclin E with altered substrate 
       specificity, Nucl. Ac. Res. Vol. 28 No. 23 (2000) bzw. 
     http://nar.oupjournals.org/cgi/content/abstract/28/23/e101.

(22) C. Herold-Mende, M. Bonsanto, A. Buttler, S. Kunze u. H.-Herbert Steiner, Expression 
       of tenascin splice variants in gliomas, Neurochirurgische Universitätsklinik Heidelberg, 
     http://www.med.uni-heidelberg.de/nch/literat/abstr029/abstr029.htm.

(23) C. Wills, Das vorauseilende Gehirn – Die Evolution der menschlichen Sonderstellung,
        S. Fischer-Verlag, 1996, S.361.

(24) W.W. Gibbs, Trends in behavioral science: seeking the criminal element, Scientific 
        American, S. 76-83 (März 1995).

(25) J. Flint, The genetics of crime: irrsponsible science? (Besprechung des Buches: 
       Genetics of criminal and antisocial behaviour, ein Buch des Ciba Foundation
       Symposiums  (Hrsg. G.R. Bock u. J.A. Goode) John Wiley&Sons, 1996.

(26) B.J. Culliton, Genes and Discrimination, Nature Medicine, Bd.1, S.385 (Mai 1995).

(27) FR 3.5.1997.

(28) Christian de Duve, Aus Staub geboren - Das Leben als kosmische Zwangsläufigkeit, 
        rororo-Sachbuch Nr. 60160, Rowohlt-Taschenbuch-Verlag GmbH, Reinbek bei 
        Hamburg, 1997; S. 365.

(29)  C. Lee, The incredible shrinking human genome, Trends in Genetics, 
       Bd.17, S. 187-188 (Apr. 2001).

 
III. Die Suche nach den Genen
 

Die Sequenz des menschlichen Genoms liegt nun also mehr oder weniger vor. 
Von den drei Milliarden Basenpaaren gehören nur 1.5% zu einem Gen. Noch 
bis vor kurzem glaubte man, dass es 3 – 5% seien, aber mit dem Absturz der 
Zahl der Gene musste auch dieser Anteil entsprechend nach unten korrigiert 
werden. Wie findet man diese Stecknadeln im Heuhaufen? [ mehr ]
 

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IV. Die Funktionsaufklärung von Genen

Den Ort eines Gens zu kennen, hat nur dann einen Sinn, wenn man etwas über seine Funktion weiss. Deshalb ist die Aufklärung der Genfunktionen nach dem Abschluss der Sequenzierung die Hauptaufgabe der Forschung. [ mehr ]

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V. Proteomik, die Gesamtheit aller Proteine, ihrer Aktivitäten  und Regulationen

Zum Verständnis der Genfunktionen gehören Kenntnisse über die Beschaffenheit, 
Aktivität und Wechselwirkungen ihrer Produkte, der Proteine. Das Arbeiten mit Proteinen ist schwerer zu automatisieren als das mit Genen und daher sehr aufwendig.[ mehr ]

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VI. Die Raumstruktur der Proteine

Die Aufklärung der räumliche Strukturen von Proteinen ist ein ganz 
entscheidendes Problem der postgenomischen Forschung. Die Kenntnis der räumlichen Beschaffenheit, besonders die der aktiven Zentren und Bindungsstellen, 
ist unverzichtbar für das ursächliche Verstehen ihrer Funktionen und sie bildet 
die Grundlage für die Bindung möglicher Wirkstoffe und damit für die neue Art, Medikamente zu entwickeln. Aber gerade hier gibt es Probleme, deren Lösung 
noch in den Anfängen steckt. [ mehr ]

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VII. Entdeckung von Medikamenten 
mit den neuen Technologien

Das Hauptziel aller geschilderter Bemühungen, die Funktion der Gene 
aufzuklären, ist es, auf eine neue Art Wirkstoffe zu finden, die als Medikamente verwendet werden können. Neu ist dabei in jedem Fall die Art der Suche. 
Die Wirkstoffe selbst sind generell nicht neuartig. Grundsätzlich geht es 
darum, auf der Grundlage der Kenntnisse aus der Genomsequenz mit Hilfe automatischer Methoden Substanzen zu finden, die in ein Krankheitsgeschehen eingreifen können. [ mehr ]

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VIII. Wieviel kostet die Entwicklung eines Medikamentes?

Die angegebenen Kosten für die Entwicklung eines Medikamentes sind 
astronomisch hoch und steigen weiter an. Aufgrund der letzten Studie vom 
November 2001 liegen sie bei 802 Mio.$. Verbraucherorganisationen 
kommen zu anderen Ergebnissen.  [mehr ]