www.unifr.ch/spc/UF/97juin/gossauer.htmlwww.unifr.ch/spc/UF/97juin/gossauer.html
Der Ursprung der genetischen Information: Viren als Modelle |
|
Als Grenzformen zwischen unbelebter Materie und lebenden Organismen stellen Viren nützliche Modelle für die Untersuchung der Selbstorganisation in einer frühen Entwicklungsphase des Lebens dar. Sie zeigen uns, wie Information auf molekularer Ebene entsteht, weiterverarbeitet und optimiert werden kann. |
|
Lebewesen können als komplexe anpassungsfähige Systeme beschrieben werden, die sich von anderen, ebenfalls komplexen chemischen Strukturen durch ihre auf die Verarbeitung von Information basierende Fähigkeit der funktionellen Selbstorganisation unterscheiden. Fragt man sich, woher diese Information stammt und welche ihre primäre Semantik ist, so lautet die Antwort: Information wird von selbst durch Rückkopplungszyklen mittels Replikation und Selektion hervorgebracht, deren Ziel das Überleben des betreffenden Organismus ist. Selektion ist eine unmittelbare Konsequenz von Selbst- oder Komplementär-Reproduktion, bei der sich immer diejenigen Varianten durchsetzen, die sich am erfolgreichsten vermehren. Bekanntlich sind Viren infektiöse Partikel, die als Parasiten tierischer oder pflanzlicher Zellen sowie von Mikroorganismen vorkommen. Im wesentlichen sind sie ein Komplex aus Makromolekülen, nämlich eine Nucleinsäurekette, die von einer Proteinhülle umgeben ist. Da Viren über keinen eigenen Stoffwechsel verfügen, sind sie auf das Leben in Wirtszellen angewiesen. Andererseits sind sie fähig zur Selbstreproduktion, d. h. die Nucleinsäure der Viren wird mittels des Transkriptionsapparates des Wirtes vermehrt und die darin enthaltene genetische Information mit Hilfe des Translationsapparates der Wirtszelle in Virusproteinen umgesetzt, die sich mit der Virusnucleinsäure zu neuen Viruspartikeln zusammenlagern. Trotz der relativ einfachen Zusammensetzung ist das Genom eines einzelstrangigen RNA-Virus (beispielsweise eines HIV-Virus) mit seinen etwa 10'000 Einzelbausteinen (die Nucleotid-Basen Adenin, Uracil, Guanin und Cytosin) von enormer Komplexität. Jede einzelne Sequenz der vier Nucleotid-Basen ist eine von 4 hoch 10'000 (eine Zahl, die in etwa einer 1 gefolgt von 6'000 Nullen entspricht !) Möglichkeiten. Quasispezies im Sequenzraum Zur Beschreibung derart komplexer Systeme bedarf es eines geeigneten theoretischen Rahmens. Insbesondere braucht man einen Raum und darin eine Geometrie, die es erlaubt, Ähnlichkeiten in den Sequenzen durch räumliche Abstände darzustellen. Jede der 4n möglichen Nucleotidsequenzen muß sich dabei genau einer festgelegten Position, also einem der 4n Punkte des gesamten Raumes zuordnen lassen. Zugleich sind die Punkte so anzuordnen, daß die Verwandtschaftsverhältnisse je zweier beliebiger Sequenzen korrekt wiedergeben: Je ähnlicher sich zwei Sequenzen sind, desto näher sollen sie im Sequenzraum beieinanderliegen (s. Abbildung). Eine Schlüsselrolle bei der Selektion spielt die Genauigkeit der Replikation, also der Vervielfältigung des Erbmaterials. Wäre dieser Vorgang stark fehleranfällig, so dass die einzelnen Kopien der Elternsequenz in keiner Weise mehr ähneln, dann würde sich eine Population, die zunächst in einem bestimmten Punkt lokalisiert ist, über den ganzen Sequenzraum verteilen, so dass schliesslich alle Positionen mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit besetzt wären. Dieses Verhalten gliche dem eines idealen Gases, das auch jeden Raum gleichmässig ausfüllt. Senkt man nun - im mathematischen Modell - die Fehlerhäufigkeit der Replikation, so dass die Nachkommen immer mehr ihren Elternsequenzen ähneln, dann kondensiert gewissermassen bei einer bestimmten Fehlerrate das Informationsgas plötzlich zu einer Art Wolke, die einen scharf umrissenen, ansonsten jedoch relativ ausgedehnten Bereich des Sequenzraumes ausfüllt. Der Bereich des Sequenzraums, den die kondensierte Information besetzt, hat einen definierten Schwerpunkt, der in einer sogenannten Consensunssequenz der (keineswegs symmetrischen) Verteilung zum Ausdruck kommt. Diese asymmetrische und ausgedehnte Mutanten-Wolke wird als Quasispezies bezeichnet. Biologisch ist die Quasispezies der eigentliche Angriffspunkt der Selektion. Ihre Fitness wird als Ganzes bewertet, und der Wildtyp ist nur ein Durchschnitt, der sich nicht auf das bestangepasste Individuum beziehen muss. Aus diesem Modell, das Viren als Quasispezies im Sequenzraum betrachtet, lassen sich beispielsweise neue Erkenntnisse über die evolutiven Beziehungen zwischen den Immunschwäche-Viren (HIV) und damit auch über den Ursprung der für den Menschen tödlichen Variante ableiten. Außerdem ergeben sich daraus genauere Einblicke in die Mechanismen, mit denen derartige Viren die Immunabwehr schließlich überwältigen, bzw. mit denen andere degenerativen Prozesse, wie beispielsweise die Alzheimer Krankheit oder die vermutlich von selbstreplizierenden Proteinstrukturen (Prionen) hervorgerufene bovine spongiforme Enzephalopathie (BSE) fortschreiten. Die Evolution der Viren Im Prinzip ließe sich die Evolution eines Virus ganz einfach untersuchen: Ausgehend von der Sequenz eines bestimmten Gens bräuchte man nur ihre Veränderungen über eine gewisse Zeit hinweg zu verfolgen. Zu diesem Zweck müßte man alle nacheinander gebildeten Kopien Position für Position vergleichen und abzählen, wo Abweichungen von der vorherigen Sequenz auftreten. Kurz gesagt, müßte man den Mutationsabstand zur Ursprungssequenz als Funktion der Zeit aufzeichnen. Aber selbst bei Viren mit hoher Mutationshäufigkeit, wie das AIDS-Virus, nähme ein solches Experi-ment mehrere Jahre in Anspruch. Indem man den natürlichen Evolutionsprozeß unter kontrollierten, optimalen Selektionsbedingungen zeitgerafft im Laboratorium nachvollzieht, kann man jedoch das Ausweichverhalten von Viruspopulationen unter Selektionsdruck verfolgen. Dazu werden in sogenannten Zellstat-Reaktoren, die an einen Computer angeschlossen sind, der die gesamte Versuchsanordnung steuert und überwacht, die in einer Suspension konstanter Zelldichte enthaltenen Zellen stationär unter verschiedenen Selektionsdrücken mit Viren infiziert. Die automatische Prozeßführung gestattet es, Evolutionsexperimente über mehrere Tage hinweg - das entspricht bis zu einigen hundert Virus-Generationen - ungestört ablaufen zu lassen. Bekämpfung pathogener Viren Derartige Experimente haben durchaus praktische Bedeutung für die Virusbekämpfung. Die gebräuchlichste antivirale Therapie, die bei vielen Virusarten wirksam ist, besteht darin, das Immunsystem des Infizierten zu aktivieren oder zu unterstützen. Aus der Einsicht in die Wandelbarkeit von Viren ergeben sich jedoch zusätzliche Strategien. So kann man zum einen versuchen, unter den vielen sich unentwegt verändernden Oberflächenstrukturen einzelne stabile Epitope zu finden und hochspezifische (monoklonale) Antikörper gegen sie herzustellen. Die umgekehrte Strategie wäre, Antikörper zu erzeugen, die eine größere Vielfalt zu erwartender Mutanten in der Quasispezies-Verteilung des Virus erkennen. Schließlich könnte man sich bemühen, Fluchtmutanten, die dem Immunsystem entgehen, in einer frühen Phase der Infektion auszuschalten, bevor sie Nachkommen hervorbringen können. Die Frage nach der besten antiviralen Strategie ist für jedes Virus gesondert zu beantworten. Beim Poliovirus kann sich das Immunsystem schnell auf die praktisch unveränderlichen Proteinstrukturen einstellen. Der Erreger hat daher keine Chance, wenn er auf einen Organismus trifft, dessen Immunantwort schon einmal durch ein solches Protein angeregt worden war. Wie wirksam dieser Schutz ist, wurde erst in jüngster Zeit deutlich, als man die Sequenzen des Sabin-Impfstoffes der Polio-Schluckimpfung bestimmte: Sie differieren von der des Wildtyps im wesentlichen nur in zwei Positionen, so daß sich sehr bald nach der Impfung durch Kopierfehler das pathogene Virus (als Revertante) zurückbildet. Doch der Immunschutz ist dann bereits praktisch vollständig; gelegentlich tritt eine leicht verlaufende Erkrankung auf. Die Influenza ist typisch für zahlreiche andere Viruserkrankungen. Zwar wird das Immunsystem letztlich mit dem Erreger fertig, aber es gibt keinen andauernden Immunschutz. Das liegt daran, daß die Genomsequenz des Virus sich in allen drei Codon-Positionen - wenn auch mit unterschiedlicher Rate - langsam, aber stetig wandelt. Dadurch ändern sich auch die Proteinepitope, gegen die sich das Immunsystem richtet. Dem AIDS-Virus schließlich hilft nach einer Theorie, die Robert M. May und Martin A. Novak von der Universität Oxford aufgestellt haben, eben diese Wandlungsfähigkeit, der Immunreaktion seines Wirtes fortwährend auszuweichen. Dafür spricht der beträchtliche Anteil hypervariabler Positionen mit einer mittleren Bestandsdauer von nur 30 Jahren. Sie ermöglichen wegen der etwa gleichen Variabilität des Genoms an allen drei Codon-Positionen eine fast unbegrenzte Zahl von Epitopen. Während das Immunsystem des Wirts zunächst noch imstande ist, das im genetischen Programm der befallenen Immunzellen fixierte Virus unter Kontrolle zu halten, beansprucht und lähmt die fortwährende Abwandlung der Epitope immer mehr Immunzellen, so daß die Immunabwehr schließlich zusammenbricht. Zu diesem Versagen kommt es - in Einklang mit unserem Befund, daß die hypervariablen Positionen innerhalb von 30 Jahren fast völlig ausgetauscht werden können - nach etwa 5 bis 20 Jahren. Neue Bekämpfungsstrategien Die beiden Oxforder Forscher haben den entsprechenden Krankheitsverlauf am Computer exakt simulieren können. Ihre Theorie, die auf der Quasispezies-Natur des Virus gründet, bietet zum erstenmal eine Erklärung für den langen Zeitraum, der zwischen Virusinfektion und dem ersten Auftreten von AIDS-Symptomen liegt. Solange der Körper das Virus in Schach hält, ist die Konzentration an Antikörpern hoch und die Zahl der nachweisbaren Viren klein; mit Ausbruch der Krankheit kehrt sich dieses Verhältnis dann plötzlich um. Die zur Zeit am häufigsten angewandte Therapieform bei AIDS ist die Behandlung mit Azidothymidin (AZT), einem Analog eines Nucleinsäurebausteins, das bei der Replikation fälschlich in die Nucleinsäure eingebaut wird und dann eine weitere Kettenverlängerung verhindert. Leider sind solche Nucleotid-Analoga sehr giftig; denn sie richten sich auch gegen die Replikationsprozesse, die für das Überleben des Wirts unentbehrlich sind. Aufgrund der molekularbiologischen Erkenntnisse bieten sich heute weitere Bekämpfungsmöglichkeiten an. So kann bei einzelsträngigen RNA-Viren wie HIV sogenannte antisense-RNA möglicherweise Schutz bieten. Dabei handelt es sich um Moleküle, die zu der infizierenden Virus-RNA komplementär sind. Sie lagern sich mit ihr zu doppelsträngigen Strukturen zusammen, die sich nicht weiter reproduzieren können. Die antisense-RNA muß aber in ausreichend großen Mengen vorhanden sein, damit sie die Replikation von Anfang an blockiert. Denkbar wäre auch, in die infizierten Wirtszellen kurzkettige RNA-Varianten einzuschleusen, die das Replikationsenzym des Virus vollkommen in Anspruch nehmen und dadurch verhindern, daß die eigentliche Virus-RNA kopiert wird. Solche kurzen RNA-Ketten müssen die Erkennungsstruktur für das Enzym enthalten und sich schneller vermehren als die Virus-RNA. Schließlich sei eine Strategie erwähnt, der gegenüber die Viren mit ihren Ausweichmanövern möglicherweise machtlos sind. Wie sich beim Phagen gezeigt hat, entsteht bei der Virusvermehrung in einer Wirtszelle im allgemeinen nur ein kleiner Anteil lebensfähiger Nachkommen. Schon bei minimaler Zunahme der Fehlerhäufigkeit könnte also der kritische Schwellenwert überschritten werden, bei dem es zu einem vollständigen Informationsverlust kommt. Für eine Therapie dürfte die Steigerung der Fehlerhäufigkeit aber nur das Virus betreffen, sonst würde auch die Wirtszelle geschädigt. Eine solche Methode wäre das genaue Gegenteil der Immuntherapie, die versucht, Ausweichmutanten zu verhindern. Man würde damit vom Wesen der Viren als Quasispezies unmittelbar Gebrauch machen und sie gewissermaßen mit ihren eigenen Waffen schlagen. Viren kommen... und gehen Nach allem, was wir derzeit über Viren wissen, werden auch in Zukunft immer neue Varianten als Heimsuchung über die Menschheit kommen. Dennoch ist auch die Hoffnung nicht verlorengegangen. Noch wissen wir wenig über die Herkunft der Viren oder die Rolle, die sie in der Evolution der Biosphäre durch horizontale Informationsübermittlung gespielt haben und spielen. Viren kommen und gehen; manche passen sich an, andere warten mit neuen pathogenen Eigenschaften auf. Zur Zeit bildet die rasch um sich greifende AIDS eine gefährliche Bedrohung für die gesamte Menschheit. Weltweit sind schätzungsweise bereits sechs bis zehn Millionen Menschen befallen; und bis zum Jahre 2000 können es zehnmal so viele sein. Das ist die Realität auf Erden, mit der wir heute und morgen konfrontiert sind.
Kasten 1: Professor Dr. Manfred Eigen Der Referent Herr Professor Dr. Manfred Eigen (*1927) studierte Physik und Chemie an der Universität Göttingen, wo er 1951 zum Dr. rer. nat. promovierte. Seit 1953 wissenschaftliches Mitglied der Max-Planck-Gesellschaft wurde er 1962 zum Leiter der Abteilung für Chemische Kinetik und 1964 zum Direktor des Max-Planck-Instituts für Physikalische Chemie ernannt. Seit 1985 ist Professor Eigen Direktor des Karl-Friedrich-Bonhoeffer-Instituts für Biophysikalische Chemie der Max-Planck Gesellschaft. Professor Manfred Eigen ist Inhaber zahlreicher akademischer Ehrungen (darunter der Paracelsus-Medaille der Schweizerischen Chemischen Gesellschaft). Professor Eigen wurde 1967 zusammen mit Ronald G. W. Norrish (Cambridge) und Georg Porter (London) für seine Untersuchungen der Kinetik sehr schneller chemischer Reaktionen, deren thermodynamisches Gleichgewicht mittels kurzer Energiepulse gestört wird, mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet. Seit Anfang der 70er Jahre hat sich sein Arbeitsschwerpunkt auf die molekulare Evolution und ihre informationstheoretischen Grundlagen sowie technologischen Anwendungen verlagert.
|
|
Universitas Friburgensis juin 97 |
|