Wie entstand das Codierungssystem in den Zellen lebender Organismen – das Genom?

Die ersten Lebensformen auf der Erde nutzten sehr wahrscheinlich nicht die DNA, sondern die RNA als Speicher der Erbinformation. RNA kann nämlich die Information nicht nur speichern, sondern auch selbst vervielfältigen (Autokatalyse). Hinweise auf diese RNA-Welt finden sich noch heute in allen Lebewesen. So gibt es noch heute katalytisch aktive RNAs, die sog. Ribozyme. Das bekannteste von ihnen ist das Ribosom. Ribosomen sind zwar auch aus Proteinen aufgebaut, das katalytisch aktive Zentrum des Ribosoms besteht aber aus RNA. Ein weiterer Beleg für die RNA-Welt-Hypothese ist auch, dass die in der DNA im Zellkern gespeicherte Erbinformation nicht direkt abgelesen werden kann, sondern erst in eine RNA (Messenger-RNA oder mRNA) umgeschrieben werden muss. Und auch die Aminosäuren, die am Ribosom schließlich zu einer Proteinkette verknüpft werden, sind an RNAs gebunden, nämlich die tRNA (Transport-RNA).

Dass Nukleinsäuren, also DNA und RNA aus anorganischen Verbindungen entstehen können, ist im Labor längst nachgewiesen. Bekannt ist auch, dass im porösen Gestein hydrothermaler Quellen Nukleinsäuren in extrem hoher Konzentration akkumuliert werden können. Nicht zuletzt deshalb gelten diese Orte auch als die heißesten Kandidaten für den Entstehungsort des Lebens.

Nukleinsäuren konnten also zufällig entstehen. Genauso wie sie spontan gebilder wurden, konnten sie aber auch wieder zerfallen. Natürlich waren nicht alle gebildeten RNAs gleich. Manche waren länger, andere kürzer und ihre Sequenzen (die Abfolge ihrer Nukleotide) unterschieden sich voneinander. Diese Variabilität war nun der Startschuss für den Prozess, den wir Evolution nennen. Die Sequenz dieser RNAs hatte zunächst noch gar keinen “Sinn”. Einige Sequenzen waren aber z. B. stabiler und zerfielen nicht so leicht wieder. Möglicherweise waren manche Sequenzen auch besser in der Lage, sich selbst zu replizieren. Diejenigen, die stabiler und in der Kage waren mehr Kopien ihrer selbst anzufertigen, wurden immer häufiger, während andere RNAs, die z. B. sehr leicht wieder zerfielen, wieder ausstarben. Beim Sichselbstkopieren konnten auch Fehler passieren, wodurch die Sequenz sich änderte. Es entstanden Mutationen. Manche dieser Mutationen führten dazu, dass die RNA sich noch besser vervielfältigen konnte, diese Mutationen wurden deshalb bald schon häufiger und ersetzten die weniger erfolgreichen. Manche Mutationen wirkten sich nachteilig aus, weil sie genau das Gegenteil bewirkten und die RNA sich weniger gut vervielfältigen konnte. Sie verschwanden deshalb wieder. Wichtig für unser Verständnis: all diese Mutationen entstanden (und entstehen) rein zufällig und hatten deshalb keinen Sinn. Erst dadurch, dass eine bestimmte Mutation in einer bestimmten Umwelt einen Vorteil darstellt, erhält die Mutation einen Sinn und wir sprechen dann von einer Anpassung oder Adaptation.

Irgendwann ersetzten hauptsächlich Proteine die Katalysefunktion. Proteine sind wesentlich vielfältiger, wodurch eine viel größere Vielfalt verschiedenster biochemischer Reaktionen möglich wurde. Die Information der RNA enthielt also nunmehr den Bauplan für Proteine, die nun wiederum neue RNAs herstellten. Hierbei entstanden aus einfachen RNA-Protein-Zyklen nach und nach immer komplexere Hyperzyklen. Dabei codiert eine Nukleinsäure für ein Protein, welches die Bildung einer anderen Nukleinsäure katalysiert. Deren Sequenz beinhaltet wiederum die Information für ein Protein, das die Bildung der ersten Nukleinsäure katalysiert. Auf diese Weise sind auch komplexere Hyperzyklen aus drei oder mehr Einzelzyklen möglich.

Wir haben bei der Umsetzung der Erbinformation in eine Aminosäurensequenz jedoch ein Problem: die RNA besteht nur aus vier unterschiedlichen Nukleotiden (A, G, C und U). Proteine werden aber aus 20 unterschiedlichen proteinogenen Aminosäuren aufgebaut. Genau genommen sind es etwas mehr, aber nur 20 werden genetisch codiert, man nennt diese deshalb auch die kanonischen Aminosäuren. Es musste also ein Weg gefunden werden, wie man eindeutig und unmissverständlich allein durch die Sequenz der Nukleotide in der RNA alle Aminosäuren (AS) für die Proteine codieren konnte. Bei vier Nukleotiden gibt es nur vier Kombinationsmöglichkeiten (4¹). Wenn jedes Nukleotid für eine AS codiert, können insgesamt also nur vier AS codiert werden. Besser sieht es schon aus, wenn wir stattdessen jeweils Paare von Nukleotiden f7r die Kombination nutzen. Hier gibt es 4² verschiedene Kombinationsmöglichkeiten, die vier Nukleotide jeweils als Paare miteinander zu kombinieren, also z. B. AA, AG, AC, AU, GC, GG usw. Insgesamt sind das 16 Kombinationsmöglichkeiten. Das reicht immer noch nicht aus, um alle AS codieren zu können. Erst wenn wir jeweils drei Nukleotide miteinander kombinieren, erhalten wir mit 4³ = 64 genug Kombinationsmöglichkeiten, um alle AS in der RNA zu codieren. Aus diesem Grund ist der genetische Code ein Triplettcode, bei dem eine Abfolge von drei Nukleotiden für eine AS codiert. Der genetische Code ist universell, d. h. bei allen Lebewesen (von wenigen Ausnahmen abgesehen) identisch. Das Triplett UGU steht z. B. für Cystein und zwar bei uns Menschen genauso wie z. B. bei E. coli-Bakterien. Gleichzeitig gibt es mit dem Triplett-Code insgesamt mehr Kombinationsmöglichkeiten als AS. Der genetische Code ist deshalb auch degeneriert, d. h. eine AS kann auch von mehreren Tripletts codiert werden. So wird Cystein z. B. auch durch UGC vodiert.

Weil alle Lebewesen den selben genetischen Code verwenden, muss der genetische Code schon sehr früh entstanden sein, sprich: der letzte gemeinsame Vorfahre aller heute lebenden Arten, ob Mensch oder Maus, Pflanze, Pilz, Archaee oder Bakterium, muss schon den genetischen Code genutzt haben. Man nennt diesen Vorfahren LUCA (last universal common ancestor, deutsch: letzter universeller gemeinsamer Vorfahr) und man nimmt an, dass LUCA noch der RNA-Welt angehörte.

Später ersetzte die DNA die RNA als das Medium, das zum Speichern der Erbinformation genutzt wurde. DNA ist ein doppelsträngiges Molekül, was vorteilhaft ist, denn so ist die Erbinformation besser vor unbeabsichtigten Änderungen geschützt, sie ist besser konserviert. Außerdem kann der eine Strang als Sicherheitskopie genutzt werden, wenn bei der DNA-Replikation ein fehlerhafter Strang repariert werden muss.

Manche Forscher nehmen an, dass, obwohl heute alle Lebewesen ausschließlich DNA und nicht RNA als Speicher für die Erbinformation nutzen, der Umstieg von RNA auf DNA zwei Mal voneinander unabhängig passiert sein könnte, nämlich einmal bei Bakterien und ein weiteres Mal bei Archaeen inklusive der Eukaryoten (obwohl Archaeen wie Bakterien Prokaryoten sind, stehen sie verwandtschaftlich den Eukaryoten näher). Darauf deuten beträchtliche Unterschiede in der Proteinbiosynthese von Bakterien und Eukaryoten, aber auch Unterschiede im Aufbau der Gene hin (Bakterien haben z. B. keine Exons und Introns).