Bereits in den 80er Jahren ist die Gentherapie ein zukunftsträchtiges Schlagwort in der Medizin
geworden. Mit der Entschlüsselung des menschlichen Genoms im Jahr 2003 ist ein großer Schritt in
Richtung Zukunft getan worden.
Gentherapeutische Anwendungen sind heute keine Zukunftsmusik mehr. Die Verbraucherdebatte
über „Gen-Food“ hat deutlich gemacht, dass die Zukunft in den Regalen der Kaufhäuser längst
angekommen ist und sich ein Großteil der Bevölkerung mit einer technologischen Entwicklung
konfrontiert sieht, die so tief in das Leben eingreift wie kaum eine andere Entwicklung zuvor.
Leben ist in diesem Kontext nicht symbolisch in dem Sinne zu verstehen, wie z. B. das Auto das
Leben der Menschen verändert hat. Nicht die Lebensumstände ändern sich, sondern die Essenz aller
Lebewesen, ihr Erbgut, ist in Reichweite des Menschen gerückt. Die Tragweite dieser Entwicklung
dürfte auf der Hand liegen.
In diesem Zusammenhang soll diese Arbeit einen Einstieg in die Gentechnik vermitteln, um das
Schreckgespenst Gentechnik etwas verständlicher erscheinen zu lassen. Da in der Gentechnologie
laufend neue Entdeckungen gemacht werden, kann diese Arbeit keinen Anspruch auf
Vollständigkeit erheben. Zudem musste die Auswahl der behandelten Themen stark eingegrenzt
werden, um den Rahmen der Arbeit nicht zu sprengen. Daher werden ethische Fragestellungen
nicht erörtert. Auch die genauen biotechnologischen Verfahren zur Synthetisierung von DNA
müssen ausgeschlossen werden. Zudem werden nur Aspekte der somatischen Gentherapie
(Gentherapie an normalen Zellen) erörtert, während die gentechnische Behandlung von Keimzellen
außen vor bleibt.
Zuerst werden allgemeine Fragen erörtert: Was ist DNA? Was ist ein Gen? Wie wird aus einem Gen
ein Protein?
Nach diesem Einstieg werden kurz die verschiedenen Methoden des Gentransfers vorgestellt und im
Abschluss anhand eines konkreten Beispiels aus der Angiologie verdeutlicht.
Inhaltsverzeichnis
0 Vorwort
1 Einführung in die Genetik
1.1 Was ist DNA?
1.2 Was ist der genetische Code?
1.3 Was ist ein Gen?
1.4 Wie liegt DNA in der Zelle vor?
1.5 Proteinbiosynthese
1.5.1 Transkription
1.5.2 Translation
2 Gentransfer
2.1 Physikalischer Gentransfer
Elektroporation
Mikroinjektion
Jet-Injection
Gene-Gun
2.2 Viraler Gentransfer
2.3 Non-viraler Gentransfer
Lipide
3 Gentherapeutische Strategien
3.1 Überexpression
3.2 Hemmung
4 Gentherapeutische Anwendungen in der Angiologie
5 Schlussbemerkung
6 Literaturverzeichnis
6.1 Printmedien
6.2 Virtuelle Medien
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Struktur der DNA
Abbildung 2: Chemische Struktur der DNA
Abbildung 3: Tripletts und Aminosäuren
Abb. 4
Abbildung 5: Schematischer Ablauf der Proteinbiosynthese
Abbildung 6: Liposom
Abbildung 7: Aufnahme des Lipoplexes durch Membranfusion und Endozytose
Abbildung 8: Ballondilatation
Abbildung 9: Einsetzen eines Stents
Abbildung 10: NOS-Lipoplex
0 Vorwort
Bereits in den 80er Jahren ist die Gentherapie ein zukunftsträchtiges Schlagwort in der Medizin geworden. Mit der Entschlüsselung des menschlichen Genoms im Jahr 2003 ist ein großer Schritt in Richtung Zukunft getan worden.
Gentherapeutische Anwendungen sind heute keine Zukunftsmusik mehr. Die Verbraucherdebatte über „Gen-Food“ hat deutlich gemacht, dass die Zukunft in den Regalen der Kaufhäuser längst angekommen ist und sich ein Großteil der Bevölkerung mit einer technologischen Entwicklung konfrontiert sieht, die so tief in das Leben eingreift wie kaum eine andere Entwicklung zuvor. Leben ist in diesem Kontext nicht symbolisch in dem Sinne zu verstehen, wie z.B. das Auto das Leben der Menschen verändert hat. Nicht die Lebensumstände ändern sich, sondern die Essenz aller Lebewesen, ihr Erbgut, ist in Reichweite des Menschen gerückt. Die Tragweite dieser Entwicklung dürfte auf der Hand liegen.
In diesem Zusammenhang soll diese Arbeit einen Einstieg in die Gentechnik vermitteln, um das Schreckgespenst Gentechnik etwas verständlicher erscheinen zu lassen. Da in der Gentechnologie laufend neue Entdeckungen gemacht werden, kann diese Arbeit keinen Anspruch auf Vollständigkeit erheben. Zudem musste die Auswahl der behandelten Themen stark eingegrenzt werden, um den Rahmen der Arbeit nicht zu sprengen. Daher werden ethische Fragestellungen nicht erörtert. Auch die genauen biotechnologischen Verfahren zur Synthetisierung von DNA müssen ausgeschlossen werden. Zudem werden nur Aspekte der somatischen Gentherapie (Gentherapie an normalen Zellen) erörtert, während die gentechnische Behandlung von Keimzellen außen vor bleibt.
Zuerst werden allgemeine Fragen erörtert: was ist DNA? Was ist ein Gen? Wie wird aus einem Gen ein Protein?
Nach diesem Einstieg werden kurz die verschiedenen Methoden des Gentransfers vorgestellt und im Abschluss anhand eines konkreten Beispiels aus der Angiologie verdeutlicht.
1 Einführung in die Genetik
1.1 Was ist DNA?
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1: Struktur der DNA [Watson und Crick, 1953:737]
DNA ist ein Makromolekül, das sich aus drei Teilen zusammensetzt: Zuckermolekülen (Desoxyribosen), Phosphaten und Basen (s. Abb. 1). An jedes Zuckermolekül ist eine der vier in der DNA vorkommenden Basen – die Purine Adenin (A) und Guanin (G), sowie die Pyrimidine Cytosin (C) und Thymin (T) – angehängt. Einen Komplex aus Desoxyribose und Base bezeichnet man als Desoxynukleotid. Die einzelnen Zuckermoleküle werden durch eine Phosphatgruppe miteinander zu einer Kette verbunden und bilden das Grundgerüst der DNA [Lohse und Engelhardt, 2005:9].
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2: Chemische Struktur der DNA [Lohse und Engelhardt, 2005:11]
Die Kohlenstoffatome der Desoxyribose sind im Uhrzeigersinn von 1' bis 5' durchnummeriert (s.Abb.2). Die Basen binden an die 1'-Position, während die Phosphate die Zuckermoleküle über die 3' und 5'-Position miteinander verbinden. DNA wird in einer bestimmten Richtung abgelesen, und zwar vom freiliegenden 5'-Ende der DNA-Kette zum freiliegenden 3'-Ende. Die Reihenfolge der Basen vom 5' zum 3'-Ende der DNA bildet den eigentlichen genetischen Code [Lohse und Engelhardt, 2005:9].
DNA liegt meist doppelsträngig vor. Das heißt, dass einem DNA-Molekül oder -Strang ein anderes, komplementäres Molekül angelagert ist. Diese Anlagerung ist dadurch bedingt, dass je zwei Basen komplementär zueinander sind und sich gegenseitig „anziehen“. So ist Adenin komplementär zu Thymin, und Guanin komplementär zu Cytosin.
1.2 Was ist der genetische Code?
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3: Tripletts und Aminosäuren [Lohse und Engelhardt, 2005:10]
Wie bereits erwähnt ist die DNA eine Abfolge von Basen, also eine Basensequenz. Diese Basensequenz ist in sogenannten Tripletts – Dreiergruppen von Basen – organisiert. Jedes Triplett kodiert genau eine Aminosäure, allerdings kann eine Aminosäure auch durch mehrere Tripletts kodiert werden. Die Basensequenz der DNA entspricht also der Aminosäuresequenz des Proteins, für das die DNA kodiert. Aus Abbildung3 lässt sich ablesen, welches Triplett für welche Aminosäure kodiert. Man liest die Codescheibe von innen nach außen, beginnt also mit der ersten Base im innersten Kreis, wählt im mittleren Kreis die zweite usw. Beispielsweise kodiert das Triplett ATG (die Basenfolge Adenin-Cytosin-Guanin) für die Aminosäure Methionin. Das Triplett ATG hat zudem eine Sonderfunktion als Start-Codon der Transkription eines Gens [Lohse und Engelhardt, 2005:10f].
Aus der Organisation der DNA in Tripletts, die für Aminosäuren kodieren, wird ersichtlich, dass die Basensequenz der DNA einer Aminosäuresequenz für ein Protein entspricht. Man bezeichnet dies auch als Kolinearität. Ein Gen kodiert also ein Protein [Lohse und Engelhardt, 2005:10f].
1.3 Was ist ein Gen?
Als Gen bezeichnet man also einen DNA-Abschnitt, der für ein bestimmtes Protein kodiert. Wenn man allerdings ein Gen genauer betrachtet, fällt auf, dass ein Gen sehr viel mehr Nukleotide – und somit mehr Tripletts – enthält, als nötig wären, um die Aminosäuresequenz des jeweiligen Proteins zu kodieren. Das ist dadurch bedingt, dass die DNA-Sequenz eines Gens nicht nur aus den Tripletts für die Aminosäuren eines Proteins (der cDNA, coding DNA) besteht, sondern auch strukturelle Abschnitte aufweist, die besondere Funktionen erfüllen [Lohse und Engelhardt, 2005:11f].
Der Basensequenz, die für das Protein kodiert (cDNA) ist ein Promotor (Abb. 4 Gelb) vorgeschaltet, der als Bindungsstelle für Transkriptionsfaktoren dient. Transkriptionsfaktoren sind Proteine, die in der Zelle vorkommen und dafür sorgen, dass ein Gen zur richtigen Zeit und am richtigen Ort abgelesen wird [Lohse und Engelhardt, 2005:12f].
Wie bereits erwähnt weist jedes Gen die Sequenz ATG (Abb. 4 Grün) auf (das Start-Codon für die Transkription).
In Abbildung 4 Hellblau dargestellt sind die sogenannten Extrons. Das sind die DNA-Bereiche, die die Aminosäuresequenz des Proteins kodieren. Sie werden durch die Introns unterbrochen (Abb. 4 Grau), deren Nukleinsäuresequenz nicht für Aminosäuren des Proteins kodiert [Lohse und Engelhardt, 2005:13].
Abgeschlossen wird das Gen durch die Stopp-Sequenz (Abb. 4 Rot.), die das Ende des zu transkribierenden Bereiches markiert.
1.4 Wie liegt DNA in der Zelle vor?
In eukaryotischen Zellen liegt die DNA doppelsträngig als Chromosom im Zellkern vor. Sie wird bei der Zellteilung (Mitose) verdoppelt und an die Tochterzellen weitervererbt. Man bezeichnet sie auch als genomische DNA oder Genom einer Zelle.
In Bakterien liegt DNA zudem häufig in Form eines Plasmids vor. Ein Plasmid ist ein ringförmiges DNA-Molekül, das in 1-50 Kopien vorliegt. Plasmide tragen häufig Gene, die für Antibiotikaresistenzen verantwortlich sind. Sie werden separat repliziert und verfügen über zum Teil sehr starke Promotoren, die eine häufige Transkription des Gens auslösen. Die Tatsache, dass Plasmide nicht weitervererbt werden wird bei der Gentherapie noch entscheidende Bedeutung haben.
1.5 Proteinbiosynthese
Den Prozess, in dessen Verlauf aus einer DNA-Sequenz ein Protein gebildet wird, bezeichnet man als Proteinbiosynthese. Sie gliedert sich in zwei Schritte, die Transkription und die Translation.
1.5.1 Transkription
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5: Schematischer Ablauf der Proteinbiosynthese [Lohse und Engelhardt, 2005:12]
Bei der Transkription wird das entsprechende Gen (nachdem sein Promotor durch einen Transkriptionsfaktor aktiviert wurde) durch ein Protein, die RNA-Polymerase II, abgelesen und in RNA umgewandelt. RNA unterscheidet sich von DNA durch ein anderes Zuckermolekül (Ribose). Außerdem wird in ihrer Basensequenz Uracil (U) anstelle von Thymin eingebaut. Die RNA-Polymerase lagert sich am Start-Codon (ATG) an die doppelsträngige DNA an und löst die beiden DNA-Stränge voneinander. An die nun freiliegenden DNA-Basen wird das jeweils komplementäre Nukleosid angelagert und zu einem RNA-Strang verknüpft, der dem abgelesenen DNA-Abschnitt entspricht. Diesen RNA-Strang bezeichnet man als prä-mRNA (messenger RNA, Boten-RNA). Er enthält neben den kodierenden Extrons (Abb. 5 Grau) auch die Introns (Abb. 5 Weiß), die in einem weiteren Schritt, dem Spleißen, herausgeschnitten werden. Die Enden der Extrons werden zusammengesetzt (ligiert) und am 3'-Ende mit einigen hundert Adeninukleotiden, dem Poly-A-Schwanz, versehen. Das Endprodukt dieses Prozesses ist die mRNA [Lohse und Engelhardt, 2005:13f].
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- Quote paper
- Anonymous,, 2007, Einführung in die Gentherapie, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/126933
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