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09.07.2009

Vier Nobelpreise für ein Hühnervirus

Das Rous-Sarkom-Virus (RSV) stand am Anfang des Nachweises, dass Krebs durch Infektionen induziert werden kann. Im RSV wurde die „reverse Transkriptase“ entdeckt, die ein Umdenken und eine technologische Revolution in der Molekularbiologie bewirkte, und in ihm wurden erstmalig Onkogene entdeckt, die zu einem neuen molekulargenetischen Konzept der Krebsentstehung und schließlich zur Entwicklung einer neuen Generation von Krebstherapeutika führte.

Die Übertragung von RNA-Sequenzen in DNA mit Hilfe der reversen Transkriptase ist heute Standard bei vielen grundlegenden Technologien der Molekularbiologie wie zum Beispiel Klonierungen, PCR und in der Proteomforschung. Den wenigsten Wissenschaftlern, die damit arbeiten, dürfte bewusst sein, wie heftig umstritten der Erkenntnisprozess war, der dahin führte.

Angriff auf das „Zentrale Dogma“

Howard Temin (Foto: Nobelpreis-Komitee)
Howard Temin  (© Nobelpreis-Komitee)

1958 hatte Francis Crick sein „Zentrales Dogma der Molekularbiologie“ formuliert, nach dem die genetische Information von DNA zu RNA und von dort weiter zu Protein fließt - keinesfalls aber umgekehrt. Schon die Bezeichnung Zentrales Dogma impliziert einen kanonischen Anspruch, und für die meisten Forscher galt es denn auch als unumstößliche Wahrheit. Im Gegensatz zu der verbreiteten Meinung, dass Wissenschaft revolutionär sei, ist sie im allgemeinen konservativ, und der Fortschritt vollzieht sich langsam und vorsichtig tastend, ausgehend von anerkannten Glaubenssätzen. Umstürzlerische Ideen stoßen gewöhnlich zunächst auf heftige Abwehr.

Anfang der 1960er Jahre hatte Howard Temin, ein junger Virologe an der University of Wisconsin in Madison - eher intuitiv als auf der Basis solider Experimente - die „Provirus-Hypothese“ aufgestellt. Sie besagt, dass die Einzelstrang-RNA von RNA-Tumorviren nach der Infektion der Wirtszelle in doppelsträngige DNA umgeschrieben wird, die dann als „Provirus“ in ein Chromosom der Zelle inseriert und zusammen mit der Wirts-DNA bei der Zellteilung propagiert wird. Die ins Chromosom eingebettete Provirus-DNA wirkt wie normale zelluläre DNA: sie dient zur Synthese neuer Viruspartikel durch Transkription neuer Virus-RNA und zur Translation von Virusproteinen mit Hilfe von Wirtsenzymen. Temin arbeitete mit dem Rous-Sarkom-Virus (RSV), das als das infizierende Agens in den Experimenten identifiziert worden war, mit denen fünfzig Jahre zuvor Peyton Rous bei Hühnern Krebs durch Infektion mit einem zellfreien Extrakt erzeugt hatte. Erst 1961 konnte nachgewiesen werden, dass es sich bei RSV um ein Einzelstrang-RNA-Virus handelt. Rous selbst erhielt für seine Entdeckung der tumorerzeugenden Viren 1966 im Alter von 87 Jahren den Nobelpreis - 55 Jahre nach der Publikation seiner bahnbrechenden Befunde.

Reverse Transkriptase und Retroviren

Temins Provirus-Hypothese wurde heftig angegriffen, weil sie ketzerisch gegen das Zentrale Dogma verstieß, aber auch, weil kein Enzym bekannt war, das RNA in DNA kopieren konnte, und weil man die postulierte Provirus-DNA nicht nachweisen konnte. Der Durchbruch erfolgte 1970, als Temin und sein PostDoc Mizutani für RSV und David Baltimore vom Massachusetts Institute of Technology für ein anderes Virus vom gleichen Typus, das Maus-Leukämievirus (MLV), bekannt gaben, dass sie ein Enzym gefunden hatten, welches das RNA-Genom der RNA-Tumorviren in DNA überträgt. Das unter dem Namen „reverse Transkriptase“ bekannt gewordene Enzym war nicht etwa in den Zellen, sondern in den Viren lokalisiert; die RNA-Tumorviren selbst wurden als „Retroviren“ bezeichnet.
Die Entdeckung der reversen Transkriptase war für die Entwicklung der Biotechnologie entscheidendes Ereignis. 1975, nur fünf Jahre nach der Erstbeschreibung, erhielten Temin und Baltimore dafür den Medizin-Nobelpreis. Francis Crick stellte klar, dass die reverse Transkriptase das Zentrale Dogma nicht verletzte; seine wesentliche Aussage liegt in der Unmöglichkeit des Informationsflusses von Protein zu Nukleinsäuren. Mit dem neuen Enzym konnte messenger RNA direkt in DNA kopiert werden, und diese neu synthetisierte DNA konnte nun auf verschiedenste Weise verwendet werden: zur Amplifizierung in Bakterien oder anderen Zellen, für die Herstellung radioaktiver DNA als genspezifische Sonden, insbesondere bei molekularen Hybridisierungen, für die PCR-Technologie, für die Klonierung der cDNA von medizinisch wichtigen Proteinen wie zum Beispiel Insulin und Wachstumshormon durch Axel Ulrich und Peter Seeburg, was den Grundstock des ersten und erfolgreichsten Biotechnologie-Unternehmens, Genentech, legte.

Onkogene

Zu ihrer Überraschung fanden Varmus und Bishop, dass auch normale Hühnchenzellen DNA enthalten, die der RNA des infizierenden Virus sehr ähnlich ist. Auch mit verbesserten Techniken zur Bestimmung von RNA-Tumorviren und ihren Proteinen, zum Beispiel mit spezifischen Antikörpern, fanden verschiedene Forschergruppen, dass Zellen von normalen Hühnchenembryonen solche viralen Proteine oder sogar infektiöse Partikel produzieren konnten. Diese Befunde waren reproduzierbar und ließen kaum einen anderen Schluss zu als den, dass es in den Tieren „endogene“ RNA-Tumorvirus-Gene gibt, die in die normalen Chromosomen eingebaut sind und in der Keimbahn auf die Nachkommen vererbt werden. Von diesen Beobachtungen führte der Weg nicht nur zum endgültigen Nachweis des von Temin postulierten Provirus im Wirtschromosom, sondern auch zur Entdeckung der viralen und zellulären Onkogene - das sind Gene, die eine Transformation von normalen Zellen in Krebszellen bewirken. Es war zwar - mit den vergleichsweise groben Methoden, die den Molekularbiologen in den 1960er und 70er Jahren zur Verfügung standen - ein langer und mühsamer Weg, aber am Ende brachte er Varmus und Bishop 1989 den Nobelpreis „für ihre Entdeckung des zellulären Ursprungs der potenziell krebserzeugenden sogenannten Retroviren“ ein. Der spröde Titel verbirgt, dass die Ehrung dem gesicherten Nachweis der genetischen Basis von Krebs galt.
Die elektronenmikroskopische Aufnahme zeigt ein von der Zelloberfläche einer Maussarkomzelle knospendes RNA-Tumorvirus sowie ein bereits freigesetztes Virus (Quelle: Zell- und Tumorbiologie, DKFZ)
RNA-Tumorviren, elektronenmikroskopische Aufnahme (© Zell- und Tumorbiologie, DKFZ)

Die entscheidenden Befunde wurden wiederum mit Rous-Sarkom-Virus gemacht: Bei einer temperatursensitiven Mutante des RSV konnten die Eigenschaften der Vermehrungsfähigkeit und Freisetzung von Viruspartikeln aus Hühnerfibroblasten von der Transformationsfähigkeit (der Umwandlung der Fibroblasten in Sarkomzellen) voneinander getrennt werden: Die von der reversen Transkriptase erzeugte DNA-Abschrift des Gens wurde in die Chromosomen der Wirtszelle eingebaut und gab als Provirus, wie Temin es vorhergesagt hatte, die Anweisungen zur Produktion neuer Viren. Aber es gab auch ein von der Virus-RNA abstammendes Gen auf dem Wirtschromosom, das im aktivierten Zustand für ein Protein kodierte, welches die Transformation der Fibroblastenzelle zu einer Sarkomzelle bewirkte. In diesem Falle wurden keine neuen Viruspartikel freigesetzt. Damit war das erste Onkogen identifiziert, src genannt (von Sarkom). Bald stellte sich heraus, dass die src-Gensequenz auch auf Chromosomen von nicht RSV-infizierten Zellen gefunden wird.

Um in dieser verwirrenden Situation klare Begriffe zu schaffen, wurde das Virus-Onkogen in v-src umgetauft und das entsprechende Gen im Wirtschromosom  c-src. Bei letzterem handelt es sich um ein Proto-Onkogen. Die Umwandlung der Proto-Onkogene in Krebsgene erfolgt durch Mutationen (zum Beispiel auch, wenn sie in das retrovirale Genom inkorporiert werden), durch die ihre Proteinprodukte stark aktiviert werden und die normalen Muster von Zellwachstum, Zelldifferenzierung und Zelltod stören, so dass Krebs entstehen kann.

Seitdem wurden zahllose weitere endogene Onkogene retroviraler Herkunft entdeckt. Manche kommen bei Wirbeltieren wie Mensch und Maus in Hunderten oder sogar Tausenden von Kopien vor. Schon 1981 beschrieb Robert Weinberg vom MIT das erste menschliche Onkogen, das zu der großen Superfamilie der ras-Gene gehört, und konnte zeigen, dass es im Ruhezustand auch in gesunden Zellen vorhanden ist. Aktivierende Mutationen von ras findet man in nahezu einem Viertel aller menschlicher Tumortypen.

Diese Entdeckungen führten zu einer neuen molekulargenetischen Ausrichtung der Krebsforschung. Hormone,Wachstumsfaktoren oder ihre Rezeptoren sowie andere Komponenten an den Schaltstellen der zellulären Signaltransduktion haben sich als Genprodukte viraler Onkogene und Proto-Onkogene erwiesen. Darunter befinden sich eine Reihe von Proteinkinasen, insbesondere Tyrosinkinasen, die zu den wichtigsten Targets für die Entwicklung einer neuen Generation von Krebsmedikamenten wie Glivec, Tarceva, Iressa, Sutent gehören. Wie wir heute wissen, entsteht auch das 1911 von Peyton Rous beschriebene virusinduzierte Hühnersarkom durch die Wirkung einer von v-src bzw. c-src kodierten Tyrosinkinase.

Angiogenese als Angriffsort der Krebstherapie
Ein Beitrag von:
Logo der Region Rhein-Neckar
EJ - 09.07.2009
© BIOPRO Baden-Württemberg GmbH

Weitere Informationen zum Text:
Harold Varmus: The Art and Politics of Science. W.W. Norton & Company, New York and London, 2009.



http://www.bio-pro.de/magazin/thema/03997/index.html?lang=de