DNA-Struktur & Replikation

Zwei komplementäre Stränge, Base an Base verriegelt — Watson und Crick sahen 1953 sofort, dass die Paarung selbst schon die Anleitung zum Kopieren enthält.

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Der Beitrag

Am 28. Februar 1953 verkündeten James Watson und Francis Crick mittags in einer Cambridger Kneipe, sie hätten das Geheimnis des Lebens gefunden. Zwei Seiten in Nature im April darauf zeigten, was sie meinten: eine Doppelhelix aus zwei komplementären Strängen, Base an Base gepaart — Adenin mit Thymin, Cytosin mit Guanin —, und am Schluss die berühmt gewordene Untertreibung, diese Paarung „lege unmittelbar einen möglichen Kopiermechanismus für das genetische Material nahe“. Speicherung und Vererbung fielen damit in einem einzigen Molekül zusammen.

DNA ist ein Polymer aus Nukleotiden: Desoxyribose und Phosphat bilden das Rückgrat, nach innen ragt jeweils eine von vier Basen. Die Watson-Crick-Paarung — A mit T über zwei Wasserstoffbrücken, C mit G über drei — verriegelt zwei komplementäre Stränge zu einer Helix mit 3,4 nm Ganghöhe und zehn Basenpaaren je Windung. Sichtbar war diese Geometrie längst auf Rosalind Franklins Röntgenbeugungsaufnahme Photo 51, die Watson ohne ihr Einverständnis zu sehen bekam; sie starb 1958 mit siebenunddreißig Jahren an Eierstockkrebs, den Nobelpreis erhielten 1962 Watson, Crick und Wilkins. Die Replikation verläuft semikonservativ (Meselson-Stahl, 1958): jeder Elternstrang gibt die Vorlage für einen neuen Tochterstrang ab, jede Tochterhelix trägt danach einen alten und einen neuen Strang. Der Apparat dafür ist aufwendig — die Helikase entwindet, die Primase legt RNA-Primer, Einzelstrang-Bindeproteine halten die Stränge offen, die Topoisomerase entspannt die Überdrehung, die Polymerase synthetisiert, die Ligase verknüpft Fragmente —, und die drei Milliarden Basenpaare des menschlichen Genoms werden in den sechs bis acht Stunden der S-Phase von Tausenden Replikationsursprüngen aus parallel kopiert. Die Genauigkeit ist außerordentlich: die Polymerase liest beim Synthetisieren Korrektur, die Mismatch-Reparatur räumt hinterher auf, und übrig bleibt eine Fehlerrate von rund eins zu 10⁹ Basen. Histone packen den Strang zu Nukleosomen, Nukleosomen zu Chromatin, Chromatin zu den 23 Chromosomenpaaren einer menschlichen Zelle. Zugleich schädigen UV-Licht, ionisierende Strahlung und oxidative Stoffwechselprodukte die DNA ununterbrochen, und ein ganzes Aufgebot von Reparaturwegen — Basenexzision, Nukleotidexzision, Doppelstrangbruch, Mismatch — macht den Schaden wieder gut. Versagen sie, folgen Krebs und Erbkrankheiten wie Xeroderma pigmentosum.

Warum jetztDas Sequenzieren ist von drei Milliarden Dollar für das erste Referenz-Humangenom (1990–2003) auf unter tausend Dollar für ein persönliches gefallen, und dieser Preissturz trägt heute Neugeborenen-Screening, Krebs-Genomdiagnostik, Pharmakogenomik, Herkunftsanalysen und forensische Identifizierung. CRISPR-Cas9 — billiges, sequenzspezifisches Schneiden — brauchte elf Jahre vom Labortisch bis zur FDA-Zulassung; Casgevy gegen die Sichelzellanämie kam 2023. AlphaFold (DeepMind, 2020) liest eine Proteinsequenz und sagt die räumliche Struktur nahezu mit experimenteller Genauigkeit voraus — ein fünfzig Jahre offenes Problem, geschlossen von einem neuronalen Netz. Die Helix, die Watson und Crick aus einem Kneipengespräch heraus skizzierten, ist heute industrielles Substrat.

Zur VertiefungDie Doppelhelix (Watson, 1968). Rosalind Franklin: The Dark Lady of DNA (Maddox, 2002). The Eighth Day of Creation (Judson, 1979). Molekularbiologie des Gens (Watson u. a., 7. Aufl.).