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Molekularbiolgische Diagnostik, Foto: Philip Benjamin/NCT Heidelberg © Krebsinformationsdienst, Deutsches Krebsforschungszentrum

Was ist Molekularbiologie?

Grundlagen der molekularbiologischen Krebsdiagnostik und Krebstherapie

Molekularbiologie - ohne diese Fachdisziplin wäre das Wissen um die Krebsentstehung, ihre Ursachen und moderne Möglichkeiten, Tumoren zu behandlen, kaum vorstellbar. Weldhe Rolle spielt die Erforschung der Erbsubstanz und der Proteine, deren Bauplan in den Genen festgelegt ist?
Der folgende Text richtet sich an Leser, die sich einen schnellen Überblick über Grundlagen der Krebsentstehung verschaffen möchten, um Techniken der molekularbiologischen Krebsdiagnostik besser nachvollziehen zu können. Als Quellen wurden aktuelle Lehrbücher der Molekularbiologie und Onkologie verwendet.

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Die Zelle - kleinste Einheit in Lebenwesen

Die Zelle ist die kleinste Einheit unseres Körpers. In der Regel ist sie dazu in der Lage, sich zu vermehren, sich auf bestimmte Aufgaben zu spezialisieren und nach Ablauf einer bestimmten Zeit zu sterben. Ihr Verhalten wird dabei von Struktur und Funktion ihrer elementaren Bausteine bestimmt, den beiden Nukleinsäuren DNA (Desoxyribonukleinsäure) und RNA (Ribonukleinsäure) und den Proteinen (Eiweiße). Das Fachgebiet, das sich mit diesen Molekülen beschäftigt, ist die so genannte Molekularbiologie.

Steht die DNA als Träger des Erbmaterials allein im Fokus molekularbiologischer Forschung, so sprechen Fachleute auch von molekulargenetischen Untersuchungen. Die Zytogenetik bezeichnet dagegen die Forschungsrichtung, die sich mit den Chromosomen, das heißt der gesamten Organisation des Erbmaterials, beschäftigt.

Die Erbinformation - Träger des genetischen "Bauplans"

Träger der Erbinformation einer Zelle ist die DNA. Diese besteht aus zwei langen Strängen, die über einander ergänzende ("komplementäre"), chemische Moleküle strickleiterähnlich miteinander verbunden sind. Die einzelnen Stränge bauen auf vier verschiedenen Einzelbausteinen auf, die sich durch jeweils eine von vier angehängten organischen Basen (Adenin, Thymin, Guanin, Cytosin) unterscheiden. Die Bausteine werden in variierender Reihenfolge zu einer langen Kette verknüpft, wobei die Abfolge die genetische Ausstattung eines Organismus festlegt. Gleich einem Morsealphabet kodieren so diese Moleküle für Anleitungen zum Bau von Proteinen (Eiweißen).
Durch Erhitzen im Reagenzglas können die beiden DNA-Stränge voneinander getrennt werden. Jeder andere DNA-Strang kann sich nun – sofern er die entsprechende, ergänzende Basenfolge aufweist – an den einzelnen DNA-Strang wieder reißverschlussartig anlagern und so das DNA-Molekül vervollständigen (Hybridisierung).
Auf dieser Eigenschaft des Erbmaterials beruht das Prinzip einiger DNA-Nachweismethoden, wie zum Beispiel der Genchip-Technologie oder der FISH-Analyse.

  • Die eigentlichen Träger der Erbinformation sind die Gene. Mit diesem Begriff bezeichnen Fachleute die Abschnitte auf der DNA, die jeweils eine zusammenhängende Information enthalten. 

Proteine - was die Gene bewirken

Gene "codieren" vor allem die Information für Proteine - das heißt, sie enthalten vor allem die Baupläne der Eiweiße im Körper.
Die "Übersetzung" der Baupläne von der DNA ins Protein erfolgt nicht direkt an der DNA selbst, sondern über den Umweg eines "Negativabzug" des entsprechenden Protein-kodierenden DNA-Abschnitts, der einsträngigen Boten-RNA (englisch: mRNA, messenger RNA). Nicht alle Bereiche der DNA-Kette enthalten jedoch einen Bauplan für Eiweißstoffe; einige sind zum Beispiel für wichtige Regulationsprozesse innerhalb der Zelle notwendig.

Proteine haben für unseren Körper eine umfassende Bedeutung, da sie vielfältige Funktionen ausüben: Zum Beispiel geben Strukturproteine der Zelle ihre Form und sind am Aufbau des Bindegewebes, der Muskeln und der Haare beteiligt. Als Enzyme fördern und regulieren Proteine chemische Reaktionen und beeinflussen als Hormone den Stoffwechsel und die Fortpflanzung des Körpers. In der Immunabwehr spielen sie in Form von Antikörpern eine wichtige Rolle. Auch für die Reizweiterleitung im Nervensystem, das Wachstum, Reifen, Altern und Absterben von Zellen sind Proteine unentbehrlich.

Epigenetik - nicht nur der Bauplan zählt, sondern auch seine Verfügbarkeit

Aufbau der DNA © Krebsinformationsdienst, Deutsches Krebsforschungszentrum
Aufbau der DNA © Krebsinformationsdienst, Deutsches Krebsforschungszentrum (zum Vergrößern auf die Lupe klicken)

Die DNA liegt in der Zelle nicht einfach als langer Faden vor, sondern ist um spezielle Eiweißmoleküle gewickelt, ähnlich wie Haare auf Lockenwickler. Diese "Lockenwickler" sind wiederum aneinander gereiht und ergeben so ein Perlenketten-ähnliches Bild. Dabei ist das Erbmaterial aber nicht gleichmäßig dicht aufgerollt: So liegen Gene, die abgelesen werden sollen, in einer offeneren, gleichsam entpackten Form vor, während still gelegte Gene dichter verpackt sind. Verantwortlich für die Verpackung und damit für die Lesbarkeit oder Nicht-Lesbarkeit der genetischen Information sind chemische Markierungen, etwa durch Anbindung von Methylgruppen (Methylierung) an die DNA: Bereiche die markiert sind, liegen dichter verpackt vor und sind dadurch nicht zugänglich für den Ablese- und Übersetzungsapparat der Zelle.

Nicht nur die Gene, sondern auch die übergeordnete Struktur des Erbmaterials scheinen daher für die Merkmale von Zellen verantwortlich zu sein. Die Wissenschaft, die sich mit dieser übergeordneten Struktur der Gene beschäftigt, ist die Epigenetik (epi = griechisch für über).

Wie Krebs entsteht

Auf allen Ebenen dieser Ordnung im genetischen Material der Zelle kann es zu Störungen kommen, die zur Entstehung von Krebs beitragen. Je länger ein Mensch lebt, desto wahrscheinlicher ist das Auftreten solcher "Fehler". Viele davon bleiben ohne Konsequenzen, weil die betroffenen Zellen absterben. Schafft es eine Zelle jedoch, sich trotzdem weiter zu teilen, kann aus Fehlern an und in der Erbsubstanz Krebs entstehen.

Immer häufiger gelingt es heute, solche Fehler in und an der Erbsubstanz, Auffälligkeiten bei der Aktivität von Genen oder sonstige molekularbiologische Veränderungen bei Tumorzellen zur Krebsdiagnostik zu nutzen.