Vor einigen Tagen habe ich die Weihnachtseinkäufe für meine Enkelkinder erledigt. Dabei fand ich einige voll geile Spielbausätze, die darauf ausgelegt sind, Kindern die Grundprinzipien des Maschinenbaus durchs Spielen beizubringen. Falls Sie noch Weihnachtsgeschenke für Ihre Kinder bzw. Enkel suchen, hier sind drei meiner Empfehlungen:
Diese Bausteinsätze sind weit fortgeschrittener als die Lego-Bausätze, mit denen ich als Kind spielte.
So cool diese Spielbausätze sein mögen, sind sie nicht annähernd so ausgefeilt wie die Bausätzen, die Zellen benutzen, die höheren Strukturen der Chromosomen zu bauen. Dieser Punkt wird eindrucksvoll verdeutlicht anhand der Einsicht des italienischen Investigatoren Giorgio Bernardi. Über den letzten Jahren hindurch haben von Bernardi geleiteten Forschungsteams Designprinzipien entdeckt, die die Chromosomenstruktur erklären, ein Regelwerk, das er den Genomcode nennt.1
Um diese Prinzipien und ihre theologischen Folgerungen richtig zu verstehen, brauchen wir ein bisschen Hintergrundsinformation. (Leser, die sich mit Chromosomenstruktur auskennen, sollen runter bis Der Genomcode.) scrollen.
Chromosomen
DNS und Proteine wirken auf einander, um Chromosome zu bauen. Jedes Chromosome besteht aus einem einzigen DNA Molekül, das um eine Sequenz von globulare Proteinkomplexen gewickelt wird. Diese Komplexe wiederholen sich und bilden dadurch eine supramolekulare Struktur, die einer Glasperlenschnur ähnlich ist. Biochemiker nennen die “Glasperlen” Nukleosomen.
Die Nukelosomenkette wickelt sich dann weiter und erzeugt eine Struktur, die man ein Solenoid nennt. Das Solenoid verdichtet sich dann um diese höheren Strukturen, die das Chromosom ausmachen.
Zwischen Zellenteilungsereignisse (die man die Interphase des Zellenzyklus nennt) existiert das Chromosom in einer erweiterten diffusen Form, die unter einem Mikroskop nicht leicht zu sehen ist. Nur vor und während Zellenteilung verdichtet sich das Chromosom, so dass die leicht-erkennbaren, kompakten Strukturen zu sehen sind.
Biologen haben entdeckt, dass es zwei unterschiedliche Regionen—Euchromatin und Heterochromatin—gibt, die in den Chromosomen im diffusen Zustand vorkommen. Euchromatin ist resistent gegen Farbmittel, die den Forschern helfen, es unter dem Mikroskop zu sehen. Im Gegensatz nimmt Heterochromatin die Farbe leicht auf. Biologen glauben, dass Heterochromatin dichter als Euchromatin verpackt ist(und deswegen die Farbe leichter aufnimmt). Sie haben auch gelernt, dass Heterochromatin mit der Kernhülle verbunden ist.
Bild 3: Struktur des Zellenkerns mit Verteilung von Euchromatin und Heterochromatin. Bildnachweis: Wikipedia
Der Genomcode
Im Laufe der Geschichte haben Biologen gelernt, dass Chromosomen aus einer Sequenz von diskreten Einheiten bestehen. Man nennt diese Isochoren. Das Genom eines jeglichen Wirbeltiers hat fünf Isochore (L1, L2, H1, H2, und H3). Die Isochore unterscheiden sich in der Zusammensetzung der Guanine- und Cytosine-inhaltenden Deoxyribonucleotiden (zwei der vier Bausteine von DNS). Der GC-Inhalt steigt von L1 auf H3. Gendichte steigt auch und das H3 Isochor hat die größte Anzahl von Genen. Dagegen senkt die Größe der DNS-Teile homogener Komposition von L1 bis H3.
Bernardi und seine Mitarbeiter haben auch Beweis entwickelt, dass Isochore eine fundamentale Einheit chromosomaler Organisation sind. Die H Isochoren entsprechen dem GC-reichen Euchromatin (das die Mehrheit der Gene beinhaltet) und die L Isochoren entsprechen dem GC-armen Heterochromatin (das fast Gen-leer ist).
Bernardis Forschungsteams haben gezeigt, dass die zwei Gruppen Isochore sich durch unterschiedliche Verteilungen der DNS-Sequenzelemente kennzeichnen. GC-arme Isochore beinhalten eine unverhältnismäßig-höhe Menge von Oligo A Sequenzen, während GC-reiche Isochore eine unverhältnismäßig-höhe Menge von Oligo G Sequenzen beherbergen. Diese unterschiedlichen DNS-Sequenzelementen bilden steife Strukturen, die die drei-dimensionale Architektur der Chromosomen gestalten. Zum Beispiel: Oligo A Sequenzen bewirken die Verkrümmung der DNS-Doppelhelix. Diese Topologie erlaubt die Doppelhelix, sich um den Proteinkern zu wickeln, der die Nukleosome bildet. Die Oligo G Sequenz-Elemente nehmen eine Topologie an, die die Bindung an die Proteine, die den Nukleosomenkern bilden, schwächt. Wie Bernardi merkt: “Es gibt eine grundlegende Verbindung zwischen der DNS Struktur und Chromatinstruktur, der Genomcode.”2
Mit anderen Worten: Der Begriff “Genomcode” bezieht sich auf die Elemente der DNS Sequenz, die:
Chromosomenstruktur direkt kodieren und gestalten (und Nukleosombindung festlegen),
Im ganzen Genom vorhanden sind, und
Den genetischen Code dadurch überschneidet, dass sie die Sequenzzusammensetzung und Genstruktur einschränken.
Wegen des genomischen Codes werden durch Mutationen verursachte Variationen in der DNS-Sequenz die Struktur der Chromosomen ändern, was wiederum schädliche Wirkungen haben wird.
Fazit: Die Mehrheit der genomischen Sequenz spielt eine Rolle in der Festlegung der höheren Strukturen, die notwendig für Chromosomenbildung sind.
Genomischer Code fordert den Begriff Junk DNA heraus
Laut Bernardi erklärt die Entdeckung des genomischen Codes durch die hohen Mengen von nicht-kodierenden DNA-Sequenzen in Genomen. Viele Menschen halten solche Sequenzen für die Überbleibsel einer evolutionären Geschichte. Weil der genetische Code existiert und wichtig ist, muss man die überwiegende Mehrheit der nicht-kodierenden DNS, die sich im Genom von jeglichem Wirbeltier befindet, für funktional unerlässlich halten. Laut Bernardi:
Ohno, dessen Forschung den Schwerpunkt auf Pseudogene legte, schlug vor, dass nicht-kodierende DNS “junk DNA” war. Doolittle und Sapienza und Orgel und Crick schlugen den Begriff von “selfish DNA,” vor. Damit meinten sie hauptsächlich Transposons, die man als molekülare Schmarotzer, die keine adaptive Funktion in den Wirtsorganismen haben, visualisiert. Dagegen behauptete das ENCODE Projekt dass die Mehrheit (~80%) des Genoms an “mindestens ein biochemisches RNS-und/oder Chromatin-verbundenes Ereignis in mindestens einer Zellenart beteiligt ist.”…Auf Anheib scheint diese breitgefächerte Beteiligung der Isochore an die Bildung der Chromatindomäne und räumlichen Abteilungen “junk” oder “selfish” DNS wenig oder gar keinen Raum zu lassen.33
Das ENCODE Projekt
Im Laufe des letzten Jahrzehnts (ungefähr) haben die Wissenschaftler des ENCODE Projekts versucht, die funktionellen DNS Sequenzelemente im menschlichen Genom zu identifizieren. Der wichtigste Meilenstein für das Projekt wurde im Herbst 2012 erreicht, als das ENCODE Projekt seine Phase II Ergebnisse bekannt gab. (Zur Zeit ist ENCODE in der Phase IV.) Zur Überraschung von vielen berichtet das Projekt, dass um 80 Prozent des menschlichen Genoms biochemische Aktivität und daher Funktion aufweist. Viele Wissenschaftler erwarten, dass dieser Anteil in Phasen III und IV steigern wird, als das Projekt seinem Endziel nähert.
Gelinde gesagt haben die ENCODE Ergebnisse für regelrechten Wirbel gesorgt. Manche Forscher nehmen die ENCODE Schlüsse an. Andere argumentieren vehement, dass die Schlüsse des Teams dem evolutionären Paradigma widersprechen und deswegen nicht gültig sein können. Selbstverständlich sind die Folgerungen des ENCODE Projekts, wenn sie stimmen, ein Segen für Kreationisten und Verfechter von Intelligent Design.
Eine der prominentesten Einwände gegen die ENCODE Folgerungen bezieht sich darauf, wie das Konsortium biochemische Funktion bestimmt hat. Kritiker behaupten, dass die ENCODE Wissenschaftler biochemische Aktivität mit Funktion verschmolzen haben. Diese Kritiker behaupten, dass höchstens zehn Prozent des menschlichen Genoms wirklich funktionstauglich ist. Der Rest der Aktivität soll dann aus biochemischem “Lärm” und Artefakten bestehen.
Aber Bernardi weist darauf hin, dass seine eigene Arbeit (unabhängig vom ENCODE Projekt) die Folgerungen des Projekts bestätigt. In diesem Fall spielt die so-genannte “Junk DNS” eine kritische Rolle, indem sie die Chromosomenstruktur gestaltet. Man muss sie funktionell nennen.
Funktion für “Junk DNA”
Bernardis Arbeit ist nicht die erste Forschung, die eine weitverbreitete Funktion der nicht-kodierende DNS erkannte. Andere Forscher haben andere funktionelle Eigenschaften von nicht-kodierender DNS identifiziert. Bis dato haben Forscher mindestens fünf unterschiedlichen Rolle gefunden, die nicht-kodierende DNA in Genomen spielt.
Sie trägt zur Genregulation bei
Sie funktioniert als Mutationspuffer
Bildet ein Nukleoskelett
Sie bietet einen Anknüpfungspunkt für mitotischen Apparat
Legt die drei-dimensionale Architektur der Chromosomen fest
Neue Sicht der Genome
Diese Einsichten zwingen uns, unsere Sicht des menschlichen Genoms radikal umzudenken. Es scheint, dass Genome unglaublich komplexe, ausgefeilte biochemische Systeme sind und, dass die Meisten Gene sinnvollen und notwendigen Funktionen dienen.
Seit den Anfängen des Human Genome Projekts sind wir weit gekommen. Vor nur 15 Jahren haben viele Wissenschaftler geschätzt, dass das menschliche Genom zum bis 95 Prozent aus “Junk DNS” bestünde. Diese Behauptung schien, überzeugenden Beweis für die These zu liefern, dass Menschen die Produkte einer evolutionären Geschichte sein müssen. Heute legt uns der Beweis nahe, dass, je mehr wir über die Struktur und Funktion von Genomen lernen, desto eleganter und ausgefeilter scheinen sie zu sein. Es ist durchaus möglich, dass der Löwenanteil des menschlichen Genoms funktionell ist.
Für Kreationisten und Verfechter des Intelligent Designs liefert diese geänderte Sicht des menschlichen Genoms Gründe zu denken, dass diese die Handarbeit unseres Schöpfers darstellt. Ein Skeptiker würde fragen, warum ein Schöpfer so viel genetischen Abfall in einem Genom zurücklassen würde. Wenn aber der weit überwiegende Anteil des Genoms aus funktionierenden Sequenzen besteht, hat dieser Angriff auf Design kein Gewicht mehr und es wird zunehmend vernünftig, die Genomen aus dem Interpretationsrahmen eines Schöpfungsmodell oder des Intelligent Designs zu deuten.
Giorgio Bernardi, “The Genomic Code: A Pervasive Encoding/Molding of Chromatin Structures and a Solution of the ‘Non-Coding DNA’ Mystery,” BioEssays 41, no. 12 (8.November.2019), doi:10.1002/bies.201900106.
