molekularbiologie

Schatz im Erbgut

Als Abfall wurden winzige Moleküle lange Zeit verachtet und einfach weggeworfen. Ein paar Wissenschaftler schauten genauer hin und entdeckten den vielleicht wichtigsten biologischen Stoff des Jahrzehnts

Manchmal arbeiten Molekularbiologen wie Archäologen. Sie wühlen im Schmutz, wie einst Heinrich Schliemann in Troja – und mitunter finden sie sogar einen Schatz. Tom Tuschl ist der Schliemann der Molekularbiologie. Er entdeckte ausgerechnet in jenen 98,5 Prozent des Erbgutes, die als »Müll« galten, Pretiosen. Es sind winzige Moleküle, mit deren Hilfe sich hervorragend die Funktionen der Gene ergründen lassen; Schnipsel, die eine Tür zu neuen Gentherapien aufstoßen. Es ist ein Fund, der endlich erklären könnte, warum der Mensch komplexer ist als ein Wurm – obwohl er kaum mehr Gene in seinen Zellen trägt.

Illustration: Phoebe Arns

Vom »Durchbruch des Jahres« schwärmte die Fachzeitschrift Science schon 2002 . Das Wirtschaftsmagazin Fortune prophezeite der Pharma- und Bio-Tech-Industrie ein Milliarden-Dollar-Geschäft. Nun hat vergangene Woche die deutsch-amerikanische Firma Alnylam Pharmaceuticals in Nature einen Kniff veröffentlicht, wie sich der »Müll« auch noch therapeutisch verwerten lässt.

Nach der Entdeckung schickten die Forscher sofort Patente los

Die Aufregung gilt der »small interfering RNA«, oder kurz siRNA, und ihren Verwandten. Eigentlich sind die RNA – die Ribonukleinsäuren – bekannt als Moleküle, die im Zellkern lediglich Botenarbeit verrichten. Diese Boten übertragen normalerweise eine Abschrift der genetischen Informationen an die Eiweißfabriken der Zellkerne. Die neu entdeckte, besonders kleine RNA-Spezies aber leistet offenbar viel mehr: Sie steuert das Werden der Organismen, wehrt Virenattacken auf das Erbgut ab und reguliert die Aktivität der Gene. »Diese Moleküle haben die Forscher jahrelang in den Ausguss gekippt«, sagt ein Konkurrent Tuschls, der Molekularbiologe Alexander Hüttenhofer von der Universität Innsbruck, »sie waren einfach zu klein und galten als Dreck.«

Zwar wussten Forscher spätestens seit 1998, dass sich Gene mit Hilfe von RNA-Molekülen stumm schalten lassen. Aber es war unklar, wie dieser Mechanismus, der RNA-Interferenz (RNAi) genannt wird, funktionierte. Erst Thomas Tuschl, damals am Göttinger Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, fand 2001 den Dreh. »Wir haben bewusst nach den kurzen Sachen geguckt«, sagt der Biochemiker, der so milde lächeln kann wie ein sanftmütiger Dorfpfarrer. Bei den verschmähten, nur 21 bis 23 Bausteine kurzen RNA-Molekülen wurde Tuschl fündig. Nachdem er die Schnipsel extrahiert hatte, konnte er damit Boten-RNA im Zellkern effektiv blockieren.

Tuschl erkannte sofort das Potenzial seiner Entdeckung. Mit Hilfe der small interfering RNA ließen sich erstmals in Säugetierzellen Gene nach Belieben abstellen – wenn auch vorerst nur in Zellkulturen. Die Kollegen würden jubeln, weil sie nicht mehr jahrelang Mäuse züchten müssten, bei denen einzelne Gene fehlten. »Wir haben sofort Patente losgeschickt«, sagt der Biochemiker.

Schon zwei Jahre nach diesem Fund wurde die siRNA weltweit in den Labors eingesetzt. Vom »Wunderkind of the lab« wird in den Fachjournalen geschwärmt, von der größten Entdeckung der Dekade und dem »vom Himmel gesandten Werkzeug«. Mit maßgeschneiderten künstlichen RNA-Strängen testen Molekularbiologen inzwischen reihenweise die Funktion von Genen – und zwar innerhalb von Wochen und nicht mehr im Zeitraum von Jahren. Dabei werden nicht nur wie früher einzelne Gene untersucht, sondern gleichzeitig Hunderte.

Die »Methode Tuschl« lässt sich nicht nur auf Säugetiere anwenden. Unter den 19757 Genen des Wurms Caenorhabditis elegans fanden die Forscher 305 Gene, welche die Fettspeicherung bremsen, und 112, die sie fördern. Weil viele dieser Gene auch beim Menschen vorkommen, könnte die Wurmforschung Hinweise auf die Behandlung von fettleibigen Menschen liefern.

Mindestens 75 Firmen beuten inzwischen die RNAi-Entdeckung aus, kleine Bio-Tech-Companys wie Cenix BioScience in Dresden, Sirna Therapeutics und Ambion in den USA. Auch siRNA-Pionier Tuschl profitierte vom Boom. Er ging an die Rockefeller University in New York und gründete zusammen mit anderen die Firma Alnylam. Vergangenes Jahr fusionierte Alnylam mit der deutschen Ribopharma in Kulmbach, das Duo ging an die Börse – ein inzwischen seltenes Ereignis in der Bio-Tech-Welt.

Doch die siRNA erweitert nicht nur das Repertoire der Grundlagenforscher, die damit die Funktion der rund 30000 Gene des menschlichen Erbgutes enträtseln. Auch große Pharmaunternehmen sind an der Technik interessiert. Gene sind ein wichtiger Ansatzpunkt für Therapeutika. Im Krankheitsfall produziert das Erbgut mitunter falsche, zu viel oder fehlerhafte Proteine. Wer diese kennt, kann gegen die Malaisen vorgehen.

Rund 5000 der menschlichen Gene sind für Medikamente interessant, und mit Hilfe der »kurzen« RNA-Stränge hofft man sie zu finden. »Als wir die erste Veröffentlichung gesehen haben«, sagt Ulrich Betz, strategischer Planer der Bayer Healthcare AG, »haben bei uns die Glocken geklingelt.« Vor zwei Jahren gab Bayer eine Kooperation mit Cenix in Dresden bekannt und lässt jetzt nach neuen molekularen Angriffspunkten für zukünftige Therapeutika gegen Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Krebs suchen. Ob Bayer, Novartis, Merck, Ely Lilly, wöchentlich verkünden Pharmaunternehmen neue Kooperationen mit den kleinen Start-up-Firmen.

Doch die siRNA ist nicht nur das neue Trüffelschwein der Pharmaindustrie, sie lässt sich auch selbst als Medikament einsetzen. Ist ein entgleistes Gen mit Hilfe der siRNA identifiziert, liegt es nahe, die entsprechende Boten-RNA therapeutisch zu unterdrücken. Genau das wollten Forscher seit 30 Jahren mit der so genannten Antisense-Technik – und scheiterten. Die Wissenschaftler hatten es mit zu großen RNA-Stücken versucht. Auf diese reagieren die Zellkerne jedoch allergisch, weil es sich dabei möglicherweise auch um das zerstörerische Erbgut von Viren handeln könnte. Also greift der Zellapparat den Eindringling an und vernichtet ihn. Es gibt nur eine Möglichkeit, dieses Immunsystem des Zellkerns zu unterlaufen: Die RNA muss winzig sein, nicht länger als 21 bis 23 Bausteine. Denn RNA mit dieser Länge schwimmt natürlicherweise im Zellkern und steuert unter anderem, ob oder wie oft ein Gen abgelesen wird. Tuschls kleine Undercover-Moleküle drosselten die Produktion von Proteinen 1000-mal effizienter als die alte AntisenseTechnik.

Viren, Rheuma, Schmerzen, der neue Stoff könnte gegen alles helfen

Mediziner und Molekularbiologen durchforsten jetzt ihre Datenbestände nach vielversprechenden Anwendungen. Am vergangenen Freitag stellten sie auf einer Tagung des deutschen RNA-Netzwerkes in Berlin aktuelle Studien vor: siRNA gegen Schmerzen, bei Asthma, Rheuma und als potenzielles Mittel gegen die Hautalterung. Die Liste möglicher Einsatzgebiete liest sich wie ein Kompendium aller Menschheitsleiden: Rheuma, Alzheimer, Parkinson, Krebs, Stoffwechsel- und Autoimmunerkrankungen sowie Infektionskrankheiten. Doch der Weg zur Anwendung der kurzen RNA-Schnipsel vom Labor in die Klinik ist beschwerlich. Noch ist ungewiss, ob die siRNA das Zeug für den großen Sprung hat.

Immerhin war das Konzept im Tierversuch schon beim Kampf gegen die infektiöse Leberentzündung (Hepatitis B) erfolgreich. Bei der Hepatitis setzt ein molekularer Schalter an der Zelloberfläche das massenhafte Sterben der Leberzellen in Gang. Mit siRNA konnte Judy Lieberman, Kinderärztin von der Harvard Medical School in Boston, die Bildung dieses Schalters bei Mäusen unterdrücken. Die Leberzellen überlebten. Allerdings wurden den hepatitiskranken Tieren innerhalb von zehn Sekunden zwei Milliliter RNA-Lösung in die Schwanzvene gepresst – das entspricht zehn Prozent ihres Körpergewichts. Für Menschen wäre das eine inakzeptable Tortur.

Das Beispiel offenbart die größte Schwierigkeit der siRNA-Therapie: Wie bringt man die fragilen Moleküle in die Zellkerne, in denen sie wirken sollen? In der Blutbahn wird der empfindliche Stoff attackiert und schnell von Enzymen abgebaut. Die amerikanische Acuity Pharmaceuticals umgeht das Problem, indem sie ihr Therapeutikum direkt ins Zielgebiet spritzt, in diesem Fall das Auge. Acuity will die altersbedingte Makuladegeneration bekämpfen, die häufigste Ursache für Blindheit im Erwachsenenalter. Dabei sprießen massenhaft Blutgefäße in der Region des schärfsten Sehens und trüben das Augenlicht. Mit Hilfe der siRNA konnte bei Affen der Wachstumsfaktor für Blutgefäße gebremst werden. Anfang Oktober startete die Firma erstmals klinische Versuche am Menschen.

Am Auge mag das funktionieren. Was aber ist mit großen Organen wie der Leber oder mit Störungen, die den ganzen Körper betreffen? Fieberhaft arbeiten alle siRNA-Firmen am zentralen Problem der einfacheren Anwendung. Die einen packen den Wunderstoff in kleine Fettkügelchen, andere transportieren die Moleküle mit Schnupfenviren in den Zellkern oder versuchen es mit nackter siRNA, die chemisch stabilisiert wurde.

In diese Suche platzt nun die verheißungsvolle Veröffentlichung in Nature. »Zum ersten Mal haben wir eine klinisch machbare Lösung vorgestellt«, sagt Hans-Peter Vornlocher, Forschungschef von Alnylam, und lässt sich auf der Berliner RNA-Tagung feiern. Die Wissenschaftler verbanden die RNA-Schnipsel mit Cholesterinmolekülen und injizierten diese Verbindung Mäusen mit einer Fettstoffwechselstörung. Der Stoff fand seinen Weg durch Blutbahn und Zellmembranen bis in die Zellkerne und blockierte dort die Bildung des Fettmoleküls ApoB, das mit normalen Medikamenten bisher unerreichbar war. Der Fettspiegel im Blut der Mäuse sank um 70 Prozent.

Judy Lieberman, die selbst eine Koppelung von Antikörpern mit RNA-Schnipseln bevorzugt, bleibt gegenüber dem Triumph von Alnylam skeptisch. »Was die Leute herausgefunden haben, ist ein Fortschritt – sicher. Aber es bleiben doch viele Fragen offen.« Wie lange wirkt die Therapie? Wie oft muss man die RNA gegen überbordendes Fett spritzen? Und was ist mit Nebenwirkungen? Möglich seien zum Beispiel entzündliche Reaktionen auf das neuartige Therapeutikum. Und bringt der gezielte Eingriff in das Räderwerk des Zellkerns nicht alles durcheinander?

Hans-Peter Vornlocher verteidigt sein Konzept als ein proof of principle. Ja, noch müsste man, auf den Menschen umgerechnet, mehrere Gramm von der Verbindung spritzen. Nein, man habe keine Nebenwirkungen bei den Mäusen festgestellt – wenigstens nicht äußerlich. Was ist mit den Leberwerten? Die seien leider noch nicht erhoben worden.

Jeder Fortschritt wird bejubelt, denn in dem Geschäft mit den siRNA lockt viel Geld. Analysten schätzen allein für ein Mittel gegen die Makuladegeneration ein Marktvolumen von 3,5 Milliarden Dollar. Die Shareholder fasziniert die Geschwindigkeit, mit der die Forscher greifbare Ergebnisse liefern. »Früher dauerte es bis zu zwei Jahre von der ersten Idee bis zu ersten Wirksubstanzen«, sagt Vornlocher, »heute brauchen wir mit der siRNA nur noch zwei Monate.«

Tom Tuschl berühren diese glänzenden Geschäftsaussichten nur am Rande. Die Suche nach Therapeutika überlässt er den Kompagnons: »Wir melden die Patente an und arbeiten dann weiter an den Grundlagen.« Er sucht schon wieder nach tief im Zellkern verborgenen Antworten. »Wir möchten herausbekommen, was die kleinen RNA natürlicherweise alles regulieren.« Gerade erst hat Tuschl zusammen mit seinem Kollegen Markus Stoffel entdeckt, dass die kleine RNA die Ausschüttung von Insulin reguliert.

Vielleicht steckt in solchen Regulationen auch die Lösung für das Rätsel der Erbsubstanz DNA. »Wir haben nur sieben- bis achtmal mehr Gene als das Darmbakterium Escherichia coli«, sagt Alexander Hüttenhofer, »aber wir sind genetisch sicher 1000-mal komplexer.« Macht eventuell die RNA den Unterschied aus? John Mattick, Genforscher von der australischen University of Brisbane, hält die kleine RNA und alle Gene, die nicht direkt in Proteine umgesetzt werden, gar schon für die wahren Herrscher im Zellkern und für den Motor der Evolution. Erst diese ausgeklügelte Steuerung würde die große Flexibilität des Stoffwechsels höherer Lebewesen erklären, meint Mattick und fordert, man müsse die Genetik neu schreiben.

So weit wollen die meisten Experten nicht gehen. Dennoch meinen viele, dass die Entdeckung der kleinen RNA einen Nobelpreis verdient. Fragt sich nur, wer ihn bekommen sollte. Unüberschaubar viele Forscher haben einen Anteil an dem Durchbruch. Auch der gebürtige Deutsche Hüttenhofer forschte vor sechs Jahren in Münster nach verstummten Genen – allerdings waren seine Forschungsobjekte über 30 Bausteine lang. »Hätten wir damals 21 Nukleotide lange RNAs gesucht«, seufzt er, »dann würde ich nicht in Innsbruck sitzen.« Dann würde er heute am Rockefeller Institute sein statt des Herrn Tuschl. »Aber ich gönne ihm das, er hat das wirklich verdient. Ich mach jetzt die größeren, er die kleineren RNA. Das passt schon.« Wenigstens hat der Molekularbiologe in Innsbruck von seinem Büro aus einen schönen Blick auf die Alpen.