Gesundheit: Arabidopsis thaliana: Ein Wildkraut macht Karriere bei den Genomforschern

Sie ist grün, bis zu 30 Zentimeter hoch und trägt kleine, weiße Blüten. Zum Ärger der Landwirte lebt die unscheinbare Pflanze gelegentlich auf Äckern und trägt daher den Namen Ackerschmalwand. Ihr zweites Zuhause findet Arabidopsis thaliana seit rund 20 Jahren in den Laboren der Pflanzengenetiker. Dort machte sie eine steile Karriere als Modellorganismus, die nun in der Entschlüsselung ihres gesamten Erbgutes gipfelt.

Ähnlich wie die Erforscher des menschlichen Genoms, haben sich auch die Pflanzengenetiker in einer internationalen Arabidopsis-Genom-Initiative zusammengeschlossen. Insgesamt sieben Gruppen aus den USA, Japan und Europa arbeiten eng zusammen und nutzen die erarbeiteten Erbgutdaten gemeinsam. "Wir sind jetzt fast fertig, etwa 99 Prozent des Genoms sind entschlüsselt und in zwei Tagen reichen wir die Veröffentlichung beim Fachmagazin Nature ein", erklärt Klaus Mayer vom Münchener Informationszentrum für Proteinsequenzen (MIPS). Es gehört zum Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt, und hat etwa die Hälfte der Analysearbeiten geleistet.

Am Anfang steht die Buchstabenkette

"Zusammen mit dem Institute for Genomic Research in Rockville führen wir sozusagen den zweiten Schritt bei der Entschlüsselung des Erbgutes durch", berichtet Mayer. Wie bei allen Lebewesen besteht auch die Erbsubstanz der Pflanzen, die DNS, aus einer Abfolge von Basen, die mit den Buchstaben A, G, C und T abgekürzt werden. Der erste Schritt der Genetiker besteht darin, die Abfolge der Basen in der DNA zu lesen. Die langen Buchstabenketten verraten jedoch über die Struktur der Erbsubstanz noch gar nichts.

"Wir analysieren diese nackte DNA-Sequenz, wir bauen also die Chromosomen zusammen und holen Informationen über die Gene heraus", erläutert Mayer. Die Pflanzengenetiker sind damit wesentlich weiter als die Erforscher des menschlichen Erbguts, die bisher lediglich eine Rohfassung des Genoms vorweisen können.

Aber warum gerade Arabidopsis als Modellorganismus? "Sie ist klein, wächst schnell und bildet sehr viele Samen", begründet Klaus Altmann vom Max-Planck Institut für molekulare Pflanzenphysiologie in Golm die Entscheidung der Genetiker. Ihr kleines Genom besteht aus 130 Millionen Basenpaaren und ist damit etwa 30 Mal kleiner als das menschliche. Zudem ist die Erbsubstanz von Arabidopsis in nur fünf Chromosomen organisiert und enthält wenige der gefürchteten "repetitiven Sequenzen". Diese Abschnitte der Erbsubstanz gelten als "Genschrott", da sie keine wichtigen Informationen enthalten. Der genetische Müll hat sich vermutlich im Laufe der Evolution angesammelt und erschwert die Suche nach den Genen.

"Dieses kleine, kompakte Erbgut von Arabidopsis ermöglicht eine effiziente Gen-Isolierung", fasst Altmann weitere Vorteile von Arabidopsis zusammen. "Außerdem lässt sich die Pflanze sehr effektiv transformieren." Mit relativ einfachen Methoden können die Genetiker eine Vielzahl von genetisch veränderten Pflanzen herstellen. Und das nutzen die Forscher, um der Funktion von Genen auf die Schliche zu kommen.

Vergleicht man Arabidopsis mit einer Autofabrik, machen die Pflanzengenetiker im Grunde nichts anderes, als morgens einen Arbeiter der Belegschaft einzusperren und abends nachzusehen, welchen Defekt die vom Band laufenden Autos aufweisen. Die Beobachtungen erlauben dann Rückschlüsse auf die Funktion des Arbeiters.

In der genetischen Praxis funktioniert das so: Mit Hilfe eines Bakteriums übertragen die Pflanzengenetiker fremde DNS in das Erbgut von Arabidopsis. "Wenn das Bakterium die Fremd-DNS zufällig in ein Gen einbaut, dann funktioniert das Gen nicht mehr", erklärt Altmann. Die Pflanze zeigt dann irgendeinen Defekt. Wenn etwa die Blütenbildung nicht mehr richtig funktioniert, wissen die Genetiker, dass die Fremd-DNS in ein Gen eingebaut wurde, dass an der Blütenbildung beteiligt ist. Die Wissenschaftler können die markierte Fremd-DNS im Genom wiederfinden und so die Lage des Gens identifizieren.

Bei einem Viertel der 26 000 Gene ist die Funktion schon bekannt, bei einem weiteren Viertel gibt es konkrete Vermutungen. Das Wissen befriedigt nicht nur die Neugier der Biologen, sondern liefert auch wichtige Informationen für die Züchtung von Kulturpflanzen. Klaus Mayer und Thomas Altmann glauben zudem, dass die Ergebnisse auch Auswirkungen auf die menschliche Genomforschung haben werden. "Wenn man Struktur und Funktion eines Gens bei Arabidopsis kennt, kann man Hinweise darauf erhalten, welche Funktion ein ähnlich aufgebautes Gen beim Menschen haben könnte."

Manuela Röver