Medizin-Nobelpreis: Aufforderung zum Tanz

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Eine ausgeklügelte Choreografie bestimmt den Zellteilungszyklus: Die Chromosomen verdoppeln sich, wandern in die Mitte der sich teilenden Zellen, streben von hier aus wieder auseinander und verteilen sich so auf die beiden Zellhälften. Damit hier nichts schief geht, überwachen bestimmte Proteine den gesamten Ablauf. Die Enthüllung dieser Choreografie war dem Karolinska Institutet den Nobelpreis für Medizin des Jahres 2001 wert.

Andreas Jahn

Zellzyklus — © Nobel Foundation (Ausschnitt)

Omnis cellula e cellula – jede Zelle stammt aus einer Zelle – lautet ein zentrales Dogma der Biologie, aufgestellt im Jahr 1858 von dem Mediziner Rudolf Virchow. Die Zellen, egal ob in unsere Haut, im Spross eines Gänseblümchens oder in einer Kultur von Hefepilzen, erfüllen dieses Dogma, indem sie sich teilen, wachsen und sich erneut teilen. Dieser Zellzyklus läuft bei allen eukaryoten Organismen, die über einen echten Zellkern verfügen, nahezu gleich ab: Nach der Teilung beginnt die Zelle in der so genannten Interphase zu wachsen, bereitet sich auf die nächste Teilung vor und verdoppelt die Chromosomen. In der sich anschließenden Kernteilung – der Mitose – wandern die beiden Chromosomenhälften auseinander, sodass jede Tochterzelle wieder einen vollständigen Satz des Erbguts erhält und der Zyklus von neuem beginnen kann.

Während die Mitose sich voller Aktivität zeigt, erscheint die Interphase dagegen eher eintönig. Zunächst gingen Biologen davon aus, dass hier nur während der so genannten S-Phase etwas interessantes passiert, nämlich die Verdopplung der Chromosomen. Davor und danach tut sich scheinbar nichts, weswegen die Forscher in ihrer Verlegenheit diese Phasen als G₁- und G₂-Phase bezeichnen – nach dem englischen gap für Lücke. Doch diese scheinbar langweiligen Phasen sind die eigentlich spannenden – denn hier entscheidet die Zelle über ihr weiteres Schicksal. Nach der G₁-Phase kann sich, statt der S-Phase, eine G₀-Phase anschließen. Diese Zellen verharren in ihrem Zustand und können sich fortan nicht mehr teilen.

Was geschieht nun in der G₁-Phase? Licht in das Dunkel brachte in den siebziger Jahren Leland Hartwell vom Fred Hutchinson Cancer Research Center in Seattle. Er entdeckte bei der Bierhefe Saccharomyces cerevisiae mehr als einhundert Gene, welche die Zellteilung steuern und kontrollieren. Eines dieser CDC-Gene (cell division cycle) – von Hartwell zunächst CDC28, dann start genannt – initiiert bereits in der G₁-Phase den ersten Schritt der Teilung.

Ein ähnliches Gen – diesmal mit dem Namen cdc2 – fand Paul Nurse vom Londoner Imperial Cancer Research Fund bei der Hefe Schizosaccharomyces pombe. Auch hier setzt es als start-Gen den Zellteilungszyklus in Gang. Nurse konnte nun das Genprodukt isolieren. Es handelt sich um eine so genannte Cyclin-abhängige Kinase, deren Aktivität über eine Phosphorylierung gesteuert wird.

Den noch fehlenden Schritt bei diesem Puzzle enthüllte Timothy Hunt, ebenfalls vom Imperial Cancer Research Fund, zu Beginn der achtziger Jahre. Er entdeckte bei dem Seeigel Arbacia eine Proteinfamilie, deren Konzentrationen sich in der Zelle zyklisch verändern. Diese daher Cycline genannten Proteine werden während des gesamten Zellzyklus synthetisiert. Übersteigt die Konzentration einen bestimmten Wert, dann verbindet sich ein Cyclin mit einer Cyclin-abhängigen Kinase und bildet einen aktiven Komplex, der wiederum die Zellteilung in Gang setzt. Gleichzeitig sorgt das Cyclin auch wieder für seine eigene Vernichtung, indem es ein Cyclin-abbauendes Enzym aktiviert. Erst wenn die Cyclin-Konzentration wieder auf einen hohen Wert angestiegen ist, kann der Zyklus von neuem beginnen.

Die Enthüllung dieser Choreografie war dem schwedischem Karolinska Institutet ihre renommierte Auszeichnung wert. Hartwell, Nurse und Hunt teilen sich im Jahr 2001 den Nobelpreis für Medizin oder Physiologie. Ihre Entdeckungen werfen nicht nur Licht auf einen fundamentalen biologischen Prozess, der in allen eukaryoten Organismen ähnlich abläuft. Sie sind auch von großem medizinischem Interesse, denn bei vielen Tumoren ist genau diese Kontrolle des Zellzyklus gestört.