Molekular- und Zellbiologische Grundlagen

449 Pages·1997·18.874 MB·German

by  Michael Bader (auth.), Professor Dr. med. Detlev Ganten, Professor Dr. Klaus Ruckpaul (eds.)

Handbuch der Molekularen Medizin Band 1
Herausgeberbeirat
Adriano Aguzzi, Zürich
Heinz Bielka, Berlin
Falko Herrmann, Greifswald
Florian Holsboer, München
Stefan H. E. Kaufmann, Berlin
Peter C. Scriba, München
Günter Stock, Berlin
Harald zur Hausen, Heidelberg
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
Detlev Ganten Klaus Ruckpaul (Hrsg.)
Mo e u ar-
und Zel biologisc e
Gru diagen
Mit Beiträgen von
.Michael Bader, Carmen Birchmeier, Friedhelm Bladt,
Stefan Britsch, Fritz Eckstein, Jens Hanke, Olaf Heidenreich,
Jörg Hoheisel, Peter Langen, Eckhart Matthes, Regina Möhring,
Bertram Müller-Myhsok, Günter Pasternak, Rüdiger Rüger,
Christian Schwarke, Sabina Solinas-Toldo, Peter Westermann
und Anna Wobus
Mit 153 Abbildungen und 14 Tabellen
Springer
Professor Dr. med. Detlev Ganten
Professor Dr. Klaus Ruckpaul
Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin (MDC)
Robert-Rössle-Str. 10
D-13122 Berlin-Buch
ISBN 978-3-662-08823-4 ISBN 978-3-662-08822-7 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-08822-7
Die deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Handbuch der Molekularen Medizin/Hrsg. Detlev Ganten und Klaus Ruckpaul. - Berlin; Heidel
berg; New York; Barcelona; Budapest; Hong Kong; London; Mailand; Paris; Santa Clara; Singapur;
Tokio: Springer
NE: Ganten, Detlev [Hrsg.]
Bd. 1. Molekular- und zellbiologische Grundlagen/mit Beitr. von Michael Bader ... - 1997
ISBN 978-3-662-08823-4
NE: Bader, Michael
Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der
Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funk
sendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in
Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Ver
vielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen
der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom
9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig.
Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes.
© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1997
Ursprünglich erschienin bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1997
Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1997
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk
berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im
Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher
von jedermann benutzt werden dürften.
Produkthaftung: Für Angaben über Dosierungsanweisungen und Applikationsformen kann vom
Verlag keine Gewähr übernommen werden. Derartige Angaben müssen vom jeweiligen Anwender
im Einzelfall anhand anderer Literaturstellen auf ihre Richtigkeit überprüft werden.
Herstellung: PRO EDIT GmbH, D-69126 Heidelberg
Umschlaggestaltung: Design & Production, D-69121 Heidelberg
Satz: K+V Fotosatz GmbH, D-64743 Beerfelden-Airlenbach
SPIN 10526309 27/3136-5 4 3 2 1 0 - Gedruckt auf säurefreiem Papier
Vorwort
Die molekulare Medizin als selbständiges Fach lebender Materie: Proteine und Nukleinsäuren.
ist noch jung. Wesentliche Kennzeichen sind der Friedrich Miescher isolierte 1871 erstmals DNA
Einsatz molekularbiologischer und gentechnolo aus den Kernen weißer Blutzellen. Um 1900 wa
gischer Methoden für die Diagnostik und die ren 16 von 20 Aminosäuren als Grundbausteine
Therapie von Krankheiten auf molekularer Ebe der Proteine isoliert und Emil Fischer postu
ne. Ihre wissenschaftlichen Grundlagen bezieht lierte den Mechanismus der Peptidbindung -
die molekulare Medizin gleichermaßen aus der die Verknüpfung der a-Aminogruppe einer Ami
klassischen Medizin, gekennzeichnet durch eine nosäure mit der Karboxylgruppe der folgenden.
phänotypische Beschreibung der Krankheitsbil Diese Entdeckungen schufen die Grundlagen für
der, und aus der genotypischen Charakterisie die Erforschung der molekularen Strukturen
rung mit der Spezifik molekularbiologischer von biologischen Vorgängen und erlaubten ihre
und gentechnologischer Methoden. Dadurch funktionelle Verknüpfung, die mit der Seitenket
wird es erstmals möglich, mit einer bisher in tentheorie von Paul Ehrlich eine fruchtbare Um
der Biomedizin unerreichten Präzision und setzung in die Medizin fanden. Die Beschrei
Schnelligkeit die Ursachen genetisch bedingter bung der Alkaptonurie durch Garrod im Jahre
Krankheiten systematisch zu analysieren. Der 1909 war die erste kausale Verknüpfung eines
Zugang zum Wesen der molekularen Medizin molekular definierten Krankheitsbildes mit
wird erleichtert durch die Kenntnis der Ge Grundlagen der Vererbungslehre.
schichte der Molekularbiologie und molekularen Für eine umfassende Umsetzung in eine mo
Genetik. lekulare Medizin fehlten jedoch am Beginn des
Die Wurzeln der molekularen Medizin und Jahrhunderts breit gefächerte molekulare Kennt
die Entwicklung der Molekularbiologie reichen nisse in der Biochemie, in der Genetik und in
bis zum Beginn des naturwissenschaftlichen der Zellbiologie. Erst mit den bahnbrechenden
Zeitalters im 19. Jahrhundert zurück. Wegberei biochemischen Entdeckungen zu Beginn des
ter eines naturwissenschaftlich geprägten Den Jahrhunderts, insbesondere in den 20er und
kens in Biologie und Medizin waren Charles 30er Jahren, und den aufsehenerregenden For
Darwin und Gregor Mendel mit ihrer Evoluti schungsergebnissen in der Mitte des Jahrhun
onstheorie und Vererbungslehre einerseits sowie derts über die molekulare Struktur und Funkti
Rudolf Virchow als Begründer der Zell theorie on von Biomakromolekülen zusammen mit der
bzw. Zellularpathologie andererseits. Diese daraus sich entwickelnden molekularen Genetik
grundsätzlich neuen Konzepte und Methoden waren die Voraussetzungen für eine Biologie auf
bildeten den Rahmen für die Entwicklung der molekularer Ebene herangereift.
Biologie zu einer experimentellen Wissenschaft Auf dem Gebiet der Biochemie sind es die
und ebneten den Weg zur Erforschung zellulä Aufklärung grundlegender Stoffwechselprozesse
rer, sub zellulärer und molekularer Strukturen. und ihre Zuordnung zu definierten Enzymen
Wesentliche Station dieser frühen Entwick bzw. Enzymketten sowie umfassende Erkennt
lung, als grundlegende Voraussetzung für die nisse über die Struktur von Biomakromolekü
Molekularbiologie und damit für die molekulare len, die den Weg für eine molekulare Biologie
Medizin, war die Isolierung der Grundbausteine ebneten. Karl Wieland beschrieb die biologische
VI Vorwort
Oxidation als Dehydrierungsreaktion. Otto Als geIstige Vater der molekularen Genetik
Heinrich Warburg entwickelte alternativ hierzu und der Molekularbiologie gelten Max Delbrück,
die Sauerstoffaktivierung als Grundlage der bio Alfred D. Hershey und Salvador E. Luria, die
logischen Oxidation und charakterisierte als Ka 1969 für die Entdeckung genetischer Strukturen
talysator dieser Aktivierung das "Atmungsfer von Bakteriophagen als Modellsystem der mole
ment" als Häminverbindung, das später von kularen Biologie und Medizin mit dem Nobel
Axel Hugo Theorell als Cytochrom-c-Oxidase preis ausgezeichnet wurden. Wahrend Delbrück
isoliert und gekennzeichnet wird. Otto Fritz als Physiker und Luria als Mediziner die theore
Meyerhof beschrieb die biochemischen Grundla tischen Grundlagen für die Virus replikation leg
gen des Stoffwechsels in der Muskelzelle durch ten, trug Hershey als biochemisch orientierter
das Verhältnis Sauerstoffverbrauch zu Milchsäu Experimentator entscheidende Erkenntnisse
rebildung. Karl Lohmann entdeckte das ATP. über die genetische Kontrolle der Lebenspro
Fritz Albert Lipmann entdeckte zusammen mit zesse bei.
dem Harnstoffzyklus das Koenzym A, seine Be Bahnbrechende Entdeckungen in den 40er
deutung für den Zwischenstoffwechsel und for und 50er Jahren ebneten der Molekularbiologie
muliert den Zitronensäurezyklus. Vitamine wer dann den weiteren Weg. Dazu gehörten: die Ent
den als Bausteine von Koenzymen charakteri deckung einer genetischen Kontrolle der Pro
siert. Diese Entdeckungen und die damit ver teinsynthese durch George Wells Beadle und Ed
bundenen Namen stehen für einen dramatischen ward Lawrie Tatum. Aus der Punktmutation ei
Erkenntniszuwachs in der Zellbiologie, ebenso nes einzelnen Gens, die verknüpft war mit der
wie die erste Aufklärung der Aminosäurese Störung eines einzelnen Stoffwechselschrittes,
quenz eines Eiweißmoleküls - des Insulins - schlossen Beadle und Tatum, daß ein einzelnes
durch Frederick Sanger, die Darstellung der Fal Gen für die Synthese eines einzelnen Enzyms
tungsprinzipien von Proteinen und Oligopepti verantwortlich ist. Mitte der 40er Jahre wies Jos
den durch Carl Linus Pauling und die Struktu hua Lederberg die Genübertragung in E. coli
raufklärung von Myoglobin und Hämoglobin nach und förderte damit eine vertiefende Cha
durch John Cowdery Kendrew und Max Ferdi rakterisierung der Natur des Gens durch Oswald
nand Perutz. Avery, Colin MacLeod und MacLyn McCarty.
Diese enorme Zunahme an Einsichten in bio Letztere wiesen nach, daß bestimmte Eigen
chemische Zusammenhänge des Zellstoffwech schaften von Pneumokokken durch eine DNA
sels und der damit verbundene Erkenntnisge übertragen werden können.
winn für den Gesamtorganismus war es, der mit Die moderne Ära der Molekularbiologie be
der Aufdeckung molekularer Strukturen und ih ginnt mit der Aufklärung der Doppelhelixstruk
rer Verknüpfung mit definierten Funktionen tur der DNA durch Frands Harry Compton
eine wesentliche Grundlage der Biologie auf mo Crick, James Dewey Watson und Maurice Hugh
lekularer Ebene lieferte. Frederick Wilkins und der damit verbundenen
In ähnlicher Weise hat sich die molekulare Aufdeckung des Zusammenhangs zwischen der
Genetik als zweite entscheidende Disziplin der Struktur der DNA und ihrer Bedeutung für die
Molekularbiologie entwickelt. Schon zu Beginn Informationsübertragung in lebender Materie.
des Jahrhunderts wiesen Bovery und Sutton auf Zu dieser Strukturaufklärung hat der Nachweis
die Chromosomen als Träger genetischer Infor der 4 Nukleinsäurebasen Thymin, Cytosin, Ade
mation hin und stellten damit die Vererbungs nin und Guanin und der Gesetzmäßigkeit ihrer
lehre auf eine molekulare Grundlage. Zusammen Paarbildung (AlT und G/C) wesentlich beigetra
mit der Aufdeckung der chemischen Natur der gen.
Gene durch Thomas Hunt Morgan waren die Aufbauend auf der Kenntnis dieser molekula
entscheidenden wissenschaftlichen Vorausset ren Strukturen wurden entscheidende Erkennt
zungen auch für eine Genetik auf molekularer nisfortschritte durch die Entdeckung des Mecha
Ebene geschaffen und damit der Beginn der nismus der biologischen Synthese der DNA und
Entwicklung der Molekularbiologie eingeleitet. RNA und der Proteine durch Severo Ochoa und
Vorwort VII
Arthur Kornberg erreicht. Durch Aufklärung sehen Medizinern, aber auch Biochemikern, Ge
des genetischen Codes und seiner Funktion in netikern und Molekularbiologen bringt For
der Proteinsynthese wurden erstmals die biolo schung und medizinische Anwendung in enge
gische Speicherung von Informationen in mole Nachbarschaft und bedingt wechselseitige Ab
kularer Form und die Übersetzung einer biolo hängigkeit. Grundlagenforschung, molekulare
gischen Sprache in eine andere verstanden. Da Medizin, präzise klinische Beobachtung und
durch wurde verständlich, wie die Gene als Trä ganzheitliche medizinische Betreuung bilden
ger der Erbmerkmale die Funktionen einer Zelle den Grundsatz moderner ärztlicher Tatigkeit.
lenken. Francois Jacob, Andre Lwoff und Jac Die Entwicklung der molekularen Medizin er
ques Monod bereicherten durch das Erkennen öffnet .völlig neue Wege für die Diagnostik und
von Struktur- und Regulatorgenen ganz wesent therapeutische Interventionen. Bisher nicht zu
lich unser Wissen über die Steuerung funda gängliche Moleküle werden zu Zielstrukturen
mentaler Prozesse der lebenden Materie. für Diagnostik und Therapie. So sind nicht
Schließlich führte die Entdeckung der Restrikti mehr nur Enzyme, Membranrezeptoren und 10-
onsenzyme durch Werner Arber, Daniel Nathans nenkanäle als funktionstragende Moleküle An
und Hamilton o. Smith zu einem Durchbruch griffspunkte für therapeutische Interventionen,
für die Anwendung gentechnischer Methoden in sondern, darüber hinaus in einem paradigmati
der Molekularbiologie und -genetik. Eine am schen Wechsel, jetzt auch Informationen tragen
Ende dieses Bandes zusammengestellte Zeittafel de und an der Informationsübertragung betei
über die Entwicklung der Molekularbiologie und ligte Moleküle. Die Entwicklung entsprechender
ihre wissenschaftlichen Wurzeln: Chemie und Arzneimittel erfolgt nicht mehr empirisch, son
Strukturforschung, Zellbiologie" Genetik sowie dern auf der Grundlage experimentell ermittel
Molekularbiologie gibt Aufschluß über weitere ter Strukturen.
wichtige Entwicklungsetappen und nennt einige Der analytische Zugang zum genetischen Ap
der daran beteiligten Wissenschaftler. parat und zu den ihn steuernden Molekülen er
Der durch die Entwicklung der Molekularbio schließt in bisher nicht gekanntem Maße dia
logie möglich gewordene Erkenntnisfortschritt gnostische Möglichkeiten. Eine neue Generation
hat unser Wissen über die Funktion der Zellen von therapeutischen Angriffspunkten erweitert
und des Gesamtorganismus in revolutionieren den Wirkungsbereich der Arzneimitteltherapie
der Weise bereichert und wir beginnen, die und macht die Gentherapie zu einem wesentli
Komplexität und bemerkenswerte Vielfalt der chen Bestandteil neuer therapeutischer und dia
Regulationsprozesse auf molekularer Ebene zu gnostischer Möglichkeiten. So ist vorstellbar, die
verstehen und die daran beteiligten Molekül traditionelle Anwendung einer chemischen Sub
strukturen zu erkennen. Genstruktur, -funktion stanz als Arzneimittel durch die Transplantation
und -regulation, Zellbiologie, Zellwachstum, von Molekülen zu ergänzen, welche als Informa
Zell-Zell-Erkennung, Zellkommunikation durch tionsträger den Körper befahigen, seine eigenen
intra- bzw. extrazelluläre Signale und durch therapeutischen Substanzen zu synthetisieren.
Hormone sowie molekulare Mechanismen im Dieser Bereich der molekularen Medizin steht
munologischer Prozesse werden zum For erst am Beginn seiner Entwicklung. Überzeu
schungsgegenstand der molekularen Medizin. gende therapeutische Durchbrüche lassen sich
Bisher nur phänotypisch zu beschreibende bisher nur an wenigen Beispielen belegen. Ent
Krankheitszustände können häufig schon jetzt scheidender Erkenntnisgewinn wird bis heute in
durch genotypische Veränderungen erklärt und der Grundlagenforschung und weniger in der
verstanden werden. Eine Punktmutation eines medizinischen Anwendung erreicht. Trotzdem
einzelnen Nukleotids in dem 3 Mrd. Basenpaare werden Fortschritte in der Diagnostik und in
umfassenden menschlichen Genom kann im der Arzneimitteltherapie in den nächsten Jahren
Grundsatz die Entwicklung einer Krankheit er durch Erfahrungen, gerade in der molekularen
klären. Ein enges Zusammenwirken klinischer Medizin, bestimmt werden.
Pharmakologen mit klinischen und theoreti-
VIII Vorwort
Die Einführung neuer diagnostischer und wendig sind. Die weiteren Bände sind nach Er
therapeutischer Prinzipien erfordert die Ausein krankungen gegliedert, wobei morbiditäts- und
andersetzung mit ihren biochemischen und mo mortalitäts statistische Überlegungen für die
lekularbiologischen Grundlagen. Das betrifft in Auswahl der Krankheitskomplexe bestimmend
erster Linie diejenigen, die diese Therapien an gewesen sind.
wenden werden - also praktizierende Ärzte der In diesem Sinne möchten Herausgeber und
verschiedenen Fachdisziplinen, aber auch Stu Verlag dem Bandwerk "Molekulare Medizin" das
denten, denen dieses Bandwerk "Molekulare Interesse an einer der faszinierendsten medizini-
Medizin" Ratgeber sein soll für ihre spätere sehen Entwicklungen wecken, das den medizi
praktische 'Hitigkeit. Der 1. Band gibt dem Leser nisch-therapeutischen Fortschritt bis weit in das
eine Übersicht über biochemische und moleku nächste Jahrtausend bestimmen wird.
larbiologisehe Grundlagen, die für das Ver
ständnis der in den anschließenden Bänden dar-
gelegten klinischen und krankheitsbezogenen Detlev Ganten
Möglichkeiten in der molekularen Medizin not- Berlin, im März 1997 Klaus Ruckpaul
Inhaltsverzeichnis
1 Diagnostik .. .. ..... .. ............ . 3 Modelle . . ... .. .... ... ..... .... .. . 303
1.1 Grundlagen der molekularen Zell biologie . . . 3 3.1 Zellkulturtechniken und Zellmodelle . . . . . . 305
Michael Bader Anna Wobus
1.2 Genomanalyse und Gendiagnostik . . . . . . . . 51 3.2 Tiermodelle in der biomedizinischen
Jens Hanke, Sabina Solinas-Toldo und Jörg Hoheisel Forschung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 338
Carmen Birchmeier, Friedhelm Bladt
1.3 Molekulargenetische Grundlagen und Stefan Britsch
der molekularen Medizin
unter Berücksichtigung der genetischen
Epidemiologie . ...... ...... ........ 92
Bertram Müller-Myhsok 4 Ethische Aspekte . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 359
1.4 Enzym- und Proteinanalytik . . . . . . . . . . .. 109 4.1 Bioethische Grundfragen 361
Peter Westermann Christian Schwarke
1.5 Monoklonale Antikörpertechnik .. .. .. . .. 145 4.2 Praktische Umsetzung des Gentechnikrechts
Günter Pasternak in der Forschung ...... ........ .. ... 389
Regina Möhring
2 Therapie ............ ... .. ..... ... . 195
2.1 Methoden der Genübertragung 197 Historischer Überblick:
Rüdiger Rüger Beiträge von Chemie, Biochemie,
Molekulargenetik und Molekularbiologie
2.2 Ribozyme in der molekularen Medizin . . . .. 242 zur Entwicklung der Molekularen Medizin . . 415
Olaf Heidenreich und Fritz Eckstein
2.3 Antimetaboliten .... .. ..... ......... 266
Eckart Matthes und Peter Langen Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 419
Autorenverzeichnis
Dr. MIcHAEL BADER PD Dr. ECKART MATTHEs
Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin
(MDC), Franz-Gross-Haus 134D, Wiltbergstr. 50, (MDC), Robert-Rössle-Str. 10, 13122 Berlin-Buch
13122 Berlin-Buch
Dr. REGINA MÖHRING
Dr. CARMEN BIRCHMEIER-KoHLER
Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin
Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin
(MDC), Robert-Rössle-Str. 10, 13122 Berlin-Buch
(MDC), Robert-Rössle-Str. 10, 13122 Berlin-Buch
FRIEDHELM BLADT PD Dr. BERTRAM MÜLLER-MYHSOK
Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin Bernhard-Nocht-Institut für Tropenmedizin,
(MDC), Robert-Rössle-Str. 10, 13122 Berlin-Buch Abt. Molekulargenetik, 20359 Hamburg
Dr. STEFAN BRITSCH Prof. Dr. GÜNTER PASTERNAK
Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin III. Medizinische Klinik, Klinikum Mannheim
(MDC), Robert-Rössle-Str. 10, 13122 Berlin-Buch Universität Heidelberg, Wiesbadener Str. 7-11,
68305 Mannheim
Prof. Dr. FRITz ECKSTEIN
Max-Planck-Institut für Experimentelle Medizin,
Dr. RÜDIGER RÜGER
Hermann-Rein-Straße 3, 37075 Göttingen
Boehringer Mannheim GmbH/Therapeutics,
Werk Penzberg, Nonnenwald 2, 82372 Penzberg
Dr. JENS HANKE
Deutsches Krebsforschungszentrum,
Abt. für Molekulargenetische Genomanalyse, Dr. CHRISTIAN SCHWARKE
Im Neuenheimer Feld 280, 69120 Heidelberg Institut Technik-Theologie-Naturwissenschaften e. V.,
Marsstraße 19, 80335 München
Dr. OLAF HEIDENREICH
Eberhard-Karls-Universität Tübingen, Dr. SABINA SOLINAS-TOLDO
Institut für Zellbiologie, Deutsches Krebsforschungszentrum,
Abt. Molekularbiologie, Abt. für Organisation komplexer Genome,
Auf der Morgenstelle 15, Im Neuenheimer Feld 280, 69120 Heidelberg
72076 Tübingen
Dr. PETER WESTERMANN
Dr. JÖRG HOHEISEL
Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin
Deutsches Krebsforschungszentrum,
(MDC), Robert-Rössle-Str. 10, 13122 Berlin-Buch
Abt. für Molekulargenetische Genomanalyse,
Im Neuenheimer Feld 280, 69120 Heidelberg
Dr. ANNA WOBUS
Prof. Dr. PETER LANGEN Institut für Pflanzengenetik
Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin und Kuhurpflanzenforschung,
(MDC), Robert-Rössle-Str. 10, 13122 Berlin-Buch Corrensstraße 3, 06466 Gatersleben