James Watson (1967) - RNA Viruses and Protein Synthesis

When a 39-year old James Watson lectured at the Lindau Meeting in 1967, he was the second youngest Nobel Laureate to do so. The youngest had made his entrance into the Lindau Meetings two years earlier: Rudolf Mößbauer, Nobel Laureate in Physics 1961, gave his first Lindau lecture at the unusually low age of 36

Count Bernadotte, Professor … (inaudible) fellow laureates, ladies and gentlemen. I feel very honoured to be asked to come here, particularly in connection with the sort of honour of having received a Nobel Prize. On the other hand, I must confess being slightly nervous speaking to a large audience. I think speaking to a large audience about something to whom one always has slight doubts as to its ultimate importance. The Nobel Prize was always meant to signify something very great and outstanding and when one does science one always has doubts I think as to what one does, particularly at a given moment, whether it will be relevant or not. I'm also apprehensive speaking to a large group because, maybe partly because of my training in Cambridge, England, one always felt that one should understate a case, particularly if it’s important I think. That is if something is simple and important, you don’t have to talk about it. On the other hand it’s clear that I have to speak today and I feel maybe perhaps at a loss without my colleague Francis Crick, with whom I worked on the structure of DNA. Unlike myself, Francis is rather exuberant. Those of you who have heard him will know that he’s perhaps slightly un-English in liking to speak very loudly about what he has done. And this might be illustrated by the fact that several years after Crick and I had done the work in Cambridge England, I had gone home to the States and then come back, and during the time in which I had been away from Cambridge, England, the professor of the Cavendish laboratory in which we worked, the professorship had changed from Professor Sir Laurence Bragg to the physicist Nevill Mott. And Crick thought it appropriate that when I came back to the Cavendish that I should meet the new professor. So he went up to Mott and said that he’d like to have a meeting between Watson and the new professor. And Mott, who is, I guess you could say a rather quiet physicist, a theoretical physicist with interests I’d say not very far outside of physics, looks at Crick and said: Well, I think that indicated, you could say, maybe the interest of one physicist toward the field of, you could say biology, that is complete lack of interest. On the other hand that simply has not been the, I’d say the dominant theme, and in fact the work on which I will speak has in one sense a rather strong connection with physics. This connection arose I think rather gradually in the 1920s and 1930s when a number of physicists, particularly those who were interested in theory, thought that perhaps there should be some very fundamental laws as the basis of living existence. And just as quantum mechanics was, that way of thinking was revolutionising, both ones way of looking at physics and then also of chemistry, that perhaps new laws would be found, which would really do something to make us understand biology. That is perhaps behind the existence of living material were some new laws of physics perhaps, which physicists themselves had not understood. This feeling I think was expounded on a number of occasions by Niels Bohr who influenced a number of the younger physicists around him into thinking that perhaps the physicists had something to give biology. Now, among the students of Bohr, I’d say the important one was the young German physicist Max Delbrück who worked for a period in Berlin with Lise Meitner, and after that period came to the United States to learn some genetics. Because the physicist sort of reason that the most important aspect of biology was perhaps the gene, that is the gene was a sort of - and chromosomes were the most central thing, and that if you were to understand life you would have to understand the gene. Now, at that time one could say that there was sort of two ways, I guess, of approaching the problem. One was, I would say, seen from this distance now it’s slightly mystical. That was that there would be something really different about living systems, which only the physicist could find out, and this of course was a viewpoint which could hardly be accepted with ease by a biologist, because they were not physicists and therefore could never understand it. And the second view was more practical, that is that living material was made up of something and you had to find out what it was. And that smells suspiciously of chemistry. That one had to learn basically the chemistry of living material before you would find out what to do. So the physicist, I guess, you could say went in two directions in their interests. One was a slightly, I’d say mystical as we see it now, there’s something different, we don’t know what it is and therefore we’ll study genetics. The second was that, well, we don’t know what else to do, so we’ll try and find out what they’re made of. And if we know what they’re made of, then maybe the great insight will some day come. If you say study genetics, this was rather uninteresting statement because biologists had been studying genetics and they could continue to study genetics. So just by saying this, the physicists I’d say made little impact. The impact came however from a sort of general belief I think of people in physics that you should study the simplest of all possible systems if you’re going to get anywhere. That is that biology is at simplest a very complex subject, and therefore you won’t have the slightest chance of getting anywhere, unless you pick out the simplest of all forms of life to study. Now, this led by the sort of mid 1930s to the feeling that perhaps the thing, the sort of biological object, upon which everyone should concentrate were the viruses. Because in some way they were thought to be living and they were also known to be very small, that is they were sort of thought to be the smallest object which you could study, which had the property of being self reproducing, that is the property of going from 1 to 2. And so the thought was that if you study viruses and you ask how they go from 1 to 2, you may really get at the heart of the matter of living material. And also, if you study viruses, almost directly you may find out what the genes and the chromosomes are. Because there was the suspicion that perhaps a virus was nothing but a naked gene. This idea was expressed, I think, first in a very clean form by Hermann Muller, the very great American geneticist who won the Nobel Prize I believe in 1945. Muller was fascinated by viruses for a very long time and said, well, study them. But he never essentially followed you could say his own intuition that viruses were interesting, and that he remained sort of, you could say an exponent of studying the fruit fly drosophila. Which probably Muller’s own real intelligence would tell him would lead nowhere, which it did, the study of drosophila as such never gave us real insight into the nature of the gene that has, following its first very wonderful period. Instead our insight has come, as the physicists really I think predicted from a study of the simpler systems, in particular from the study of the viruses. Now, the viruses have been two main classes which I think have effected our thought. Well, there have been three, I guess you could say. One were the viruses which multiply in animal cells and they’ve interested us chiefly because they cause disease which affect us. And the second have been a series of viruses which have multiplied in plants and which have had a very great impact on science because they were the first viruses to be studied chemically in a very clean fashion. They were the first viruses that people realised were simple and this was I think expressed by the idea that perhaps they were nothing but molecules. And the awarding of the Nobel prize to Wendell Stanley for his discovery that tobacco mosaic virus particles could be purified and form crystalline-like aggregates expressed I think everyone’s deep, the deep impact of the discovery that perhaps a virus could be studied as a chemical object. And it’s Stanley’s original work with tobacco mosaic virus, followed up in a number of laboratories, of whom certainly one of the most important has been of Professor Schramm in Tübingen. And this led to, I guess you could say maybe two principles. One that they were simple and second that the most important part of the virus was the nucleic acid. That is viruses when you study them chemically were found to consist of a protein portion and a nucleic acid portion but the thought was that the genetic component was the nucleic acid portion. If one asked, well, why did they work on the plant virus? It was really the simple fact that you could isolate from plants very, very large amounts and so you could do chemistry on them. So that you could do chemistry on them in the 1930s when you required large amounts of the material. On the other hand, for everyone you could say, except a botanist, plants are rather difficult to work with, that is you say get one cycle of tobacco plants a year and you sort of have to think in year long cycles. It’s a rather slow, a slow thing to work with. And I guess I must confess, belonging to a sort of group of biologists who regarded that plants were really too uninteresting to work with. It maybe sounds prejudice but from the viewpoint of the geneticist, if you get just one cycle of plant a year, it’s rather dull. The system which instead really has dominated things from the biological viewpoint have been viruses which multiplied in bacteria. This was the system which the physicist Delbrück decided would be the most interesting to work on. And so in the late 1930’s at the California Institute of Technology he began studying in a very sort of simple fashion, what could he find out about the multiplication of a virus. This work which started 30 years ago has now multiplied manyfold and there are many 100’s of people now working in this area. And I am sort of particularly connected with this because it was my sort of first introduction to science some 20 years ago when I started working with Delbrück’s friend, the Italian microbiologist Luria. And then one’s sort of feelings were just largely of hope. That is you study the virus and you count how they go from 1 to many, and maybe this will give you great insight as to what happens. Now, there was just one problem with you could say the whole business such as you, you said you want to study something fundamental, which is the multiplication of a virus. And you think maybe the virus is something like a gene. And you count it going from 1 to many and you want to get some fundamental insight. And in the minds of at least a few of the people, maybe there’s the feeling that you only understand the real insight behind this process by understanding or developing some really new laws of physics. Now, the thing which essentially always sort of stuck in our throat was that you didn’t know what you were talking about. That is you had the word ‘virus’ and then you could simplify it by saying that just like tobacco mosaic virus was protein and nucleic acid, the bacterial virus had two parts, the protein component and the nucleic acid component. And here the guess was that just like with the plant virus one should concentrate on the nucleic acid. And so you would ask, well, how do you go from one nucleic acid molecule to many? Or 1 to 2, that was the real process. And here you really felt maybe that if you were very clever you could guess the whole thing. Or I guess in my own particular case what you tried to do was you said, well, you really can’t define the problem until you know what the nucleic acid is. So that means finding out what DNA is. It was at this stage that I for, you could say a brief period, abandoned any interest in bacterial viruses and went to Cambridge, England, with the thought that perhaps there with the sort of advanced techniques in x-ray crystallography one could find out what it was. And I won’t talk today about that sort of work because I imagine that virtually everyone here has at least read of this story on one occasion or another. But the answer which came out, that is that the structure of DNA which we guessed was the fundamental genetic material was a complementary double helix. And which, if you knew the structure of one chain, you knew the other, was, well, I guess you could say was a very, very pleasant shock. You could say, well, we don’t have any ideas, so we’ll study its structure. And we’ll be slightly afraid that we will find the structure and then it will be dull and someone else will have to work very hard to find out what it means. But when we found the structure of DNA, we knew that there would be, you could say if there was ever a case where understatement would do the job, it was DNA. That is the structure was so interesting that I guess our only fear was, not that it would be unimportant but that conceivably in some way that we could fool everyone by proposing something which was wrong. That is if it was right it had to be important, if it was wrong it would be a tremendous folly to have sort of raised everyone’s hopes that this was the answer to everything. But fortunately it was right, that is when we saw the double helix, the reactions of people varied but generally everyone said it was very pretty, so pretty that it had to be right and it was right. Now, this was important, I guess not only because it was right, but because you could say it simplified the problem enormously. When I was sort of, say in school and didn’t know what life was and used to read rather horrid biology books which would have open with one or two pages description of what living material was, which it moved or it got irritated or something like that, that one always felt there was something else. And as a boy one had always been told that it’s so complicated, physics was so complicated that it could only be understood by very few people. The sort of example which was always thrown at us was the theory of relativity, which was a profound idea and very difficult idea. And one worried that perhaps biology would be the same way, that is to really understand biology, it would take a very, very sophisticated mind who would finally master it and then have great difficulty communicating it to someone else. The truth however is just the opposite, that is that the fundamental sort of basis of the selfreplication is so simple that it can be taught to very young people and in fact now is. So the sort of whole theoretical basis I think in which one now develops biology, we now know to be very simple, that is the ideas are simple chemical ideas which can be communicated easily. Which is fortunate because whereas I will say, to start with that biology, the sort of fundamental genetic principles are simple, one would be very naïve if one said that it would be easy to solve many biological problems. But one can at least start with the fact that the theory is simple and there would be enormous complexity to find out, but that if you don’t get too confused to start with, that one may have a chance at really solving more complicated problems. Now, today I want to talk about a bacterial virus which is a very simple virus, that is the simplest virus we know about. And the reason we study it is just this fact, that it is the simplest. And we want to understand completely how a virus multiplies. In this sense one should understand that a virus is more complicated than a gene and maybe ... To summarise the sort of very, very large sort of collection of facts, we now know that the gene is a DNA molecule which we know now to be a double helix. Now, in fact I should, I’ve said the gene should be slightly inexact, I should say at least some chromosomes. Now, I’ll speak here of the bacterial chromosome which we know to be a single DNA molecule. Now, the relationship between the DNA molecule and the gene is that you can sub divide this DNA molecule which goes on and on and on into a number of segments which we can call a gene. Now, each of these genes is responsible for the sequence of aminoacids and proteins. This would be, DNA being sort of linear sequence of nucleotides, determines a linear sequence of aminoacids and proteins. So that’s the cycle and you could say, to use a phrase, quite old, one gene determines one protein. This was something the geneticists thought of, that there was a nice simple relationship. And they said this before one realised the sort of great simplifying fact that the gene was a linear collection of nucleotides and the proteins were a linear collection of aminoacids. So it was one linear sequence determining another linear sequence. Here one should have an idea of the, you could say the complexity of the organisms we’re dealing with, the bacterial viruses which virtually everyone has studied, multiplying a bacteria called Escherichia coli. Now, this is a relatively simple bacteria, looks like a rod, it has a rod shape, and it’s say two to three microns, in this direction it’s about one micron. In this the chromosome is a single DNA molecule which is... This is our bacteria, the chromosome will now simplify here, it’s a single circular DNA model. And from the chemist viewpoint, if you want to indicate how complex it is, the DNA has a molecular weight of 2 times 10 to the 9th of certainly the largest molecule which anyone has ever discovered. So the basis of it is a very large molecule. Now, this is divided into probably about 3,000 genes. We don’t know the exact number but it’s certainly not less than 2,000 and probably not more than 5,000. But the number of genes which one has is this number. Now, depending on your viewpoint, this can either be very simple or very complex. And I would say biochemistry has progressed to the viewpoint that 2,000 seems simple. That is it’s a number which doesn’t overwhelm us and send us out of science, it still keeps us within science. So you could say that if you could completely understand bacteria, if you would know each, the function of each of these genes. That’s sort of the level of what we’re trying to understand. Now, this is not the smallest bacteria, perhaps there are bacteria which are two to three times simpler, that is which would have maybe 1/3 of the genetic material. But by accident the bacteria which everyone has concentrated on has about this amount of DNA. If we started over we might have picked a slightly simpler one, but it wouldn’t have changed matters very much. Given this picture, one can say, well, what is the relationship now between the chromosome and the virus? Now, a virus is best looked at as a sort of small chromosome. That is a small piece of nucleic acid which is surrounded by a sort of protein shell. We now realise that, whereas 30 years ago one might have sort of said that a virus was perhaps a single gene surrounded by protein. We now know that it’s best to say that a virus is a small chromosome surrounded by protein. And it has the essential ability, so when you put this, you could say viral chromosome, if it gets into a cell, this chromosome will then multiply. It will multiply out of control and form large numbers of new copies and then be surrounded by new protein shells. Now, here you connect how many, really how complex is the viral chromosome, that is how big is it. Now, by accident the viruses which were studied by Delbrück, T2, T4, we now know to be relatively complex viruses and they contain probably around 200 genes within the viral parameter. So this is a fairly complicated obstacle and if you’re going to completely describe a virus like this, one would have to take this chromosome and say what each of these sections did. So if your aim was sort of complete chemical description, you would say that this is a little too complicated. And if you wanted to find a virus which you could say describe as well as you can describe a Swiss watch, that is every component, so you knew exactly how it worked. And if you wanted to describe the location of every atom, you wouldn’t work with this but you’d work with something smaller. So you would search for a smaller virus. In fact there are a number of much smaller viruses. But there’s sort of one further complication that one could make. That is up to now I have said either nucleic acid or DNA and the cycle which we now know is important. We could say that if you start out with DNA and then it determines the protein, in between is an intermediate that you make a second form of nucleic acid, ribonucleic acid which then serves the template protein. This sounds sort of unnecessarily complex but you could say this is the way it is and we now know the essential components of this story pretty well. Now, the key to the whole thing was that DNA you could say was self-duplicating. And the fundamental biological, sort of fundamental chemical basis of this self duplication was base pairing, that is the ability to form a complementary double helix with the base adenine pairing with thymine and the base guanine with cytosine. Which is a sort of basic principle behind selfreplication. That adenine, thymine, guanine and cytosine. Now, this would be a sort of complete picture if it were not for the fact that some viruses, and you could say the most important was tobacco mosaic virus, a virus studied in great detail by Professor Schramm and his group, called TMV, doesn’t contain any DNA. And this was an embarrassing fact because if you said, well, DNA was the gene and you needed genes wherever you had life, and you were faced with the fact that this virus didn’t contain any. But that instead contained RNA. And so RNA also must be a genetic material. And this means that you must also have a cycle, which goes this way. That is RNA must in some way be able to selfreplicate itself and then this RNA must somehow determine protein. So you must have two different sort of cycles of the transferred genetic information. One which is based on DNA and the other which is based on RNA. Now, here one can ask, well, is this cycle here really the same as the cycle by which DNA went around? Are these based on the same principle? And here the first fact which one can really say is that chemically RNA is very similar to DNA and you can go further and say that if you took RNA chains, you could form a double helix just like this. So you could theoretically imagine a replication scheme for RNA, which was the same as DNA. The question however was not could it exist, but in fact is this the system which exists. Now, over the past nearly five years, this problem has been investigated in very great detail and it’s been investigated in detail largely with a group of bacterial viruses, that is viruses which multiply in the same e-coli. But these are bacterial viruses which, unlike T2, which are DNA viruses, there’s a group which contain RNA. These are bacterial viruses and they have different names. The first one which was discovered is called F2. In my laboratory we work with a very similar one called R17, in Tübingen they work with one which is called FR, they’re all very similar viruses. And they have two, you could say, well, what's the real interest, why focus attention? The first reason is that they contain RNA and you want to learn more about RNA. The second reason - and they contain RNA and they multiply on e-coli. And multiplying on e-coli is very important because it takes just 20 minutes for for the bacteria to multiply, you have an enormous knowledge of its genetics. And so it’s easier by several orders of magnitude to work with e-coli than to work with any other form of cell. If you want to take precise chemical analyses. So just the fact that this existed would mean that a large number of people would work on it. But even more interesting was that this group of viruses is chemically very simple and they’re very small. That is the total molecular weight is only 3 … (inaudible 30:12), whereas if one would look at T2, the molecular weight there was 2 times 10 to the 8th. So here we have a very simple virus, it’s simple and it’s made up of a single nucleic acid chain with a molecular weight of 10 to the 6th. Now, here one should make a fundamental distinction between this type of virus and the T2 one, which you could say is made up of DNA which is double helical. This virus is made up of just 1 strand of nucleic acid, it’s not two strands twisted around each other, but just 1 strand, it’s single stranded in contrast to being double strand. And it contains just 3000 nucleic acid. Now, the question we sort of pose to ourselves, can we completely describe how this virus multiplies. It’s the simplest virus we know. That is if I want to, the simplest and the one that has the shortest nucleic acid chain, and if one wants to compare it to tobacco mosaic virus, tobacco mosaic virus has a nucleic acid chain which is twice as long. So it just has one half the genetic information and so should be easier to study. We just have a couple of slides. Now, here’s the cycle in which everyone now knows about DNA, so maybe it’s a template for RNA, RNA making protein, with DNA being self-replicated. This is the normal transfer of genetic information within cells. Now, the second form of cycle which exists, you start out with RNA and RNA then, the genetic information in RNA can be translated into protein but you have this cycle here. We want to study how this happens. Now, this is the transferred genetic information following infection of a cell by an RNA virus. And up to now one can say that, as far as we know, this cycle exists only following infection of a cell by a virus. There is no evidence of it occurring without viruses, though this rule may be broken, one doesn’t know whether this will in fact always be the case. But it’s the only cases which we now can study. Now, in this next slide there’s a sort of summary of all the biochemical events in going from say DNA finally to a polypeptide chain and I won’t go into this in any detail because Professor Lipmann will speak about protein synthesis in detail two days from now. But the main sort of point here is that you have three forms of RNA, which one is the genetic message, and that the proteins are synthesised on sort of small bodies called ribosomes. And that, as the protein is synthesised the sort of genetic message, moves across the surface of the ribosome, and as it moves across the polypeptide chains are elongated. And one should say one other fact, that the sort of precursor for protein synthesis is an amino acid attached to a molecule which is called … (inaudible 33.33). Now, in the next slide there’s an electron micrograph of a ribosome, now, ribosomes are the small particles or the sort of factories for making proteins. And this electron micrograph was taken about six years ago, but unfortunately one must say that since then no one has taken a better one. Our detail is still, these are particles which are about 200 Å in diameter and the particles have molecular weight of about 3 million. And they are made of two sub units, there’s a small one and a large one. And in the next slide there’s a sort of very diagrammatic view of these, just as they are, the two sub units. And that the sub units are made up of a large number of different proteins. The structure of a ribosome is very, very complex and we’re nowhere close to finding it out. Now, in the next slide there’s again a sort of summary of the fact that when a polypeptide chain is grown, that the precursor is the amino acid attached to this small type of RNA and one should just sort of set one fact straight, is that, whereas all DNA is thought to be genetic. That is all the DNA in a cell, essentially codes for amino acid sequences, that RNA, there are three types of RNA of which only one type carries the genetic information. The type here which is attached to the amino acid, this is not genetic, but that one should just remember that the growing chain is attached to the molecule. Now, in the next slide there’s just sort of very schematic event of what happens in protein synthesis that you have the growing polypeptide chain sort of attached to a ribosome via ssRNA molecule and that a new amino acid comes in and the two form peptide bond. These details are basically unimportant to what I want to talk about so I won’t go into them now. Now, in the next slide, here we go over to the RNA virus which I’ll talk about. This is R17, which as I’ve said is very similar to several other of these small RNA viruses. Now, as far as its structure, we can say, well, we want to find out how it multiplies and it’s the simplest of all viruses that we know anything about. Now, how simple is it? Well, first of all in the centre of the virus is an RNA molecule which consists of a single chain which contains 3000 nucleotides. Now, this fact immediately tells us something, it tells us that the amount of genetic information here can essentially order 1,000 amino acids, because what we know of the genetic code is that successive groups of three nucleotides, so to determine a single amino acid. So if you have an RNA message which contains 3,000 nucleotides you can order essentially 1,000 amino acids by it. So we know essentially the limit. Now, essentially what is necessary for this? Well, what else is the virus? The virus in addition consists of two sorts of protein molecules. Now, one of the protein molecules we call the co-protein because it’s present in the largest amount and there are 180 copies of this protein in every virus particle. Now, the molecular weight of the protein is 14,700 and it contains 129 amino acids and a complete … (inaudible 37.22) has been determined. Now, in addition to this protein which makes up about, almost 99% of the total protein of the virus, there’s a second protein which we think is, it’s given different names, we call it the attachment protein. And the evidence which we have now suggests that probably there’s only one copy of this protein per virus particle and we know its molecular weight is about 35,000 and that it contains 300 amino acids. We’re not trying to study this protein in detail, but it will probably be several years before we can get enough of it to do an amino acid sequence. It’s not very easy to isolate, in fact it’s quite hard to isolate. So if you, you could say, well, what must you do when you make a new virus particle? Well, you’ve got to make new copies of the code protein, you're going to have to make new copies of this attachment protein and you're going to have to make new RNA. So you have three things to make when the virus particle replicates. Now, in the next slide, say, well, what is the life cycle of the virus? These viruses have a sort of peculiar sort of life cycle in that they all multiply only on male bacteria. E-coli, there are two sexes, the male and female and the male bacteria has small, very thin filaments coming out from them which are called pili. And the virus particles attach to these. This is the sort of first step in the multiplication of the virus. And what was within a minute or so after the virus attaches to these pili, then the nucleic acid somehow has got inside the bacteria. Now, we don’t know how you go from here to here, but in the next slide one puts it sort of diagrammatically, we think, well, in fact one knows that this filament is hollow and in some way we think the nucleic acid moves down through this narrow channel into the bacteria. Now, we can’t be more precise because we know nothing about the structure of these thin filaments and it’s an obvious thing for someone to do to find out their structure. However, there are only a very, very small percentage, only somewhere on the average between 1 and 3 of these per bacteria, they are only about 100 Å thick and so chemically they will be rather hard to isolate in large amounts though we’re starting to do this. This is probably you could say the first step. Now, in the next slide the sort of, in a very diagrammatic way, illustrates what must happen, the first within a sort of minute after the absorption of the virus to the pili, the nucleic acid is in, by about 15 minutes inside the bacteria you can see some completed new virus particles appearing. And by about 35 minutes after the cycle starts, holes develop in the wall of the bacteria and these newly formed virus particles leave the cell. Now, the number of virus particles which grow or appear within the cell is, it could be up to about 20,000 particles per cell, so you go from about 1 to 20,000 and this can occur in about 30 minutes. In fact they become so tightly packed that you can see actual 3-dimensional crystals of the virus particle forming in the cell, just before it breaks open. So you could say that the final stage may be 10% of the mass of the bacteria has become transformed into virus particles. So it’s extraordinarily efficient process. If one wants to analyse this in more detail, you can essentially measure three things. First you can measure the appearance of new molecules of the code protein, you can measure the appearance of the attachment protein and there is a third protein which is involved. And that is that it’s been discovered that in order to, for the RNA to replicate, that is to go from one RNA marker to several, there’s a new enzyme which appears in the cell, which is given several names but I’ll give it the name replicase, this is a specific enzyme which is not present in uninfected cells but which appears after virus infection and this enzyme is responsible for RNA replication. The reason you could say that RNA doesn’t self-replicate in normal cells is this enzyme is not present, and as we shall see in a moment, this enzyme is coded for by the genetic material of the virus. The RNA strand carries the genetic information to make this enzyme which causes RNA self-replication. Now, in the next slide, if you can sort of study the kinetics in an infected cell, the appearance of, you could say these three proteins which are necessary for making the virus. One the code protein and this is made in large amounts, long time and the second two proteins are the attachment protein and then the enzyme RNA replicase, the enzyme which is necessary for the self-replication of the RNA. Now, one sort of interesting fact here is you’ll notice that you make the code protein for a long period of time and you make very many copies of it whereas you make many fewer copies of the replicase and the attachment protein. And also the synthesis stops rather early. You make them for a short period of time and then you stop. You could say, well, this makes biological sense to stop making attachment protein early because you need only very few copies of it, you don’t want to make a large amount of it and it would be very silly to make equal copies when your virus particle only needs a small number. Now, here you could say this is an example of a control mechanism making more of one protein than another, what is its molecular basis. It’s essentially here a structure which shows the viral nucleic acid, our one chain and this shows it soon after it enters the cell. And after it enters the cell, the ribosomes attach at one end and they move along the RNA molecule and as they move along the protein which is being made comes off, this is code protein which is being made. And one can see now that there are essentially three genes here in the virus particle. All our evidence is that there are just three and we have identified each of them. The first is the code protein, which seems to be the first and then the attachment protein comes second, and then the replicase comes third. And the relative sizes we don’t know exactly but this would be smaller because this has the code for only 129 amino acids. This isn’t really drawn to scale, this one here has the code for about 300 and this one probably has the code for about 500. This adds up about to the 1,000 amino acids that we expected. Now, you could say are we absolutely sure? And the answer is no, if there was a very small protein between here and here, we might not have discovered it yet. But conceivably we now know each of the three. In this process you could say that we have an RNA molecule, a chromosome which codes for pregenes and that at the beginning here there must probably be a – well, you could say here, as you’re going along, there has to be a signal which says ‘stop’ and then you might guess also that there’s a signal which says ‘start’. So how quickly you just start and stop and there should be a stop here, start, stop and start. We now have some information on what the starts and stops are. So you might have thought that the chain would start with, that the first sort of sequence in nucleotides would be a start signal and the last would be a stop signal. But in fact it looks like that the virus chromosome was more complicated in that you have some nucleotides which are not the start. So you go along some nucleotides and then you get a start signal and at the end you have a stop signal and then you have another series of nucleotides which must do something that we don’t know yet. Now, in the next slide shows probably the essential principle for the general problem how do you make more of one protein than another, that is why do you make a large number or code protein molecules and only a small number of the attachment protein and the replicase. And the reason is that after you make a code protein, and it’s completed and it folds up into its right 3-dimensional form, then these molecules have the specificity so that they go and sit on the RNA chain and block the ribosome from moving on. There seems now little doubt that this happens and so, as soon as you’ve made a small number, so that the equilibrium will say that some will be sitting here and the ribosome can’t go on. It seems probably now likely that the ribosome only attaches at the end of the molecule and then moves across. So if in some way you block it, you will make more of the first then or the second. Now, in the next slide, well, here I just want to state the facts here, that in the genetic code we know that it’s groups of three nucleotides which determine given amino acids and that the start codons may be AUG and G. That essentially the code for an unusual amino acid called formlymathionine. And I simplify it here, I’m cheating slightly but just to point out that there are starts, it’s more complicated. Now, as far as stop, we know that these will all cause stopping, but we don’t know how this is done. Now, this was a funny story which came out firstly studying this virus was that you start, at least the making of all proteins in e-coli by putting in this amino acid called formylmethionine which is just the amino acid methionine with a formyl group attached to it at the amino end. Now, this was a funny fact, because when people had isolated proteins from the bacteria, they had never seen this before. In fact this led to the discovery of the cycle shown in the next slide in which you start, this shows you the beginning amino acid sequence for the code protein which goes formylmethionine, alanine, serine, asparagine, threonine, phenylalanine. Then after you had made this as a specific enzyme which we’ve isolated, deformalised, which removes the formal group. Then there’s a second enzyme which takes off the methionine and this gives you the sequence which we find inside the cell, in the intact virus particle. This is a sort of, you could say level of complexity which a theoretician would never guess at. We know this is the cycle which happens and no one can say why it happens, this is what the advantage of the cell of having this cycle, we know that you always start this way, you end up this way. This is a sort of general rule I guess that the biochemists never guess what's going to happen. That is you find out what happens and you try and find the reason afterwards. Whereas one can say theory helps you, it helps you in a few cases, but in most of the cases you just find out what's up, just by doing experiments. Now, this is you could say the general picture for making the protein. One RNA chain which codes for three proteins with start and stop signals and with something funny at the two ends which we don’t understand. Now, I’d like to sort of conclude with saying that it was the last factor, you could say, well, we have an enzyme which makes RNA and now how does this enzyme work. That is do you use the principle of base pairing or is there some other completely different cycle. In the next slide shows how this enzyme works. The enzyme works as we start out with a signal chain here and then the enzyme makes a complement. Now, the principle which you use in making this complement is base pairing. It’s the same principle which is involved in DNA replication is involved in the replication of RNA. In RNA you have, you don’t have the base thymine but you have uracil which from the viewpoint of the base pairing rule is identical. So I won’t bother you with that. But to say that in the replication of RNA you go through a double helical intermediate. And so in the middle of the replication you end you with a double helical RNA molecule. And we should say that we started, the strand which we started with, we call the plus strand and its complement we call the minus strand. So the enzyme has moved along here, you could say from right to left. Now, what we want to make however is not new minus strands, the virus particles contain only plus strands, that is you don’t find a mixture of the two in the virus particle, you only find the one sequence, the plus strand. Now, in the last slide we see here the second stage in the replication of the RNA, which is that, given the replicated form, the enzyme now moves in the opposite direction and makes a new plus strand. Then we end up with free enzyme and this enzyme will again go over and sit here and make new plus strands. Now, one can then conclude I think by saying that we probably understand all the essential steps in the multiplication of the simplest virus we know about. That is we understand both how it makes the protein which is involved. And the way it makes protein in the case of the virus is just to use exactly the same machinery for making protein as you find in the normal DNA, RNA protein cycle, it’s exactly the same system, nothing is different. The virus essentially uses the same system. In a replication of the RNA you use basically the same principle as you use in DNA, base pairing, but you have to have a specific enzyme which doesn’t exist in uninfected cells which essentially lets an RNA chain make its compliment. This is a very specific enzyme and its specificity is limited to that of a specific virus. Now, we can’t say in detail, you could say this enzyme, if you look at it in slight complication, it’s more complicated than you might guess, because the enzyme can make both plus and minus strands. It can move from right to left or from left to right, which when you think of it from a chemical viewpoint means that it’s quite an interesting enzyme and so far we cannot say anything about how this happens, no one has yet isolated the enzyme to determine. Well, the enzyme has been isolated and you can make infectious RNA in the test tube, this was first done in Spiegelman’s lab, which was a very important discovery because it showed you could really do everything in the test tube. But we haven’t gone to, you could say the second stage of really isolating the protein, determining its 3-dimensional structure and then saying how it can go both from right to left. These things really await the future. Now, you could say, where do we go from here? Well, I think one can say that the sort of chief conclusion is that the viruses as I say are no long very mysterious thing, that is we now see the relationship to the normal cell cycle. And we see the relationship now for both viruses which contain DNA and RNA. And we could also say that we now probably have the confidence that if we have a simple enough virus, we probably will be able to understand all its steps of its replication, at least if we have a simple system to work with. As long as we’re dealing with a virus which contains only a few genes, it should be possible to understand the virus almost as well as you understand the Swiss Watch, that is know all its components. Now, you can say is it worth the effort? Here I guess it’s partly a matter of one’s own interest, that is how deep do you actually want to understand it. That is there’s a sequence of 3,000 nucleotides, should anyone go through the trouble of determining the exact sequence. I think probably yes would be my answer, even though right now it seems like an impossible task to do a sequence of 3,000 nucleotides, but 10 years ago one would have said doing a sequence of 100 was an impossible task and it’s been done in the case of … (inaudible 55.01). And so with basic improvement of chemical techniques it probably will be possible I’d say some day to do the complete sequence. Then you could say we know everything we want to about the virus. So you want to do it just because if you do the complete sequence, you’ll see the start signals, you’ll see the stop signals, you’ll find out more about the genetic code in great detail. Now, I think as an extension of this, which you could say maybe in medical directions, you could say that, well, we’re interested, everything I’ve talked about now has been viewing the virus as something which a pure scientist wants to find out about. There’s also you could say the medical question that the viruses, we’re interested in viruses because they cause disease and we may find out something about fighting them if we know their structure in complete detail. And from my own viewpoint, one of the most I’d say interesting things is that a number of the viruses which are able to cause cancer are very small viruses, they’re not big ones. And in particular there’s a virus called polyoma which is a DNA containing virus, it’s a circular DNA molecule which probably contains genetic information for only at most 6 to 7 genes. And this is a virus that multiplies in mice and it’s much harder to work with bacteria, you could say that if you move from a bacterial virus to an animal virus, maybe your level of complexity moves up 100 fold, harder to work with. But that sort of being optimistic that you could say every 10 years you can work with something in order of magnitude more difficult and also saying there’s some people who are more clever than others. That maybe within the next 10 years one can take a virus of this sort of complexity, of multiplying in animal cells and completely define what all its genetic information does. And if you know what all its genetic information does, then maybe one is much closer to understanding why this virus can cause a tumour. And I feel quite sure that maybe within 10 and certainly within 20 years one will have, someone will be able to get on this rostrum and take a virus like this and say what it does and why it causes cancer which I think will be a great achievement when it happens. Thank you.

Graf Bernadotte, Professor… (akustisch unverständlich), sehr geehrte Nobelpreisträger, sehr geehrte Damen und Herren. Ich fühle mich zutiefst geehrt, hierhin eingeladen worden zu sein, vor allem im Zusammenhang mit der Ehre den Nobelpreis erhalten zu haben. Andererseits muss ich gestehen, dass ich ein bisschen nervös bin, vor so einem großen Publikum zu sprechen. Das heißt, zu einem so großen Publikum über etwas zu sprechen, bezüglich dessen ultimativer Bedeutung man prinzipiell leichte Zweifel hat. Der Nobelpreis steht seit jeher für großartige und herausragende Leistungen, aber wenn man Wissenschaft betreibt, zweifelt man, denke ich, seine Arbeit immer an, vor allem in bestimmten Momenten, ob nun zu Recht oder zu Unrecht. Ich scheue mich auch ein bisschen vor einer großen Gruppe zu sprechen, weil ich immer das Gefühl habe – vielleicht auch aufgrund meiner Ausbildung im englischen Cambridge – dass Understatement angebracht wäre, vor allem wenn es um meiner Ansicht nach Wichtiges geht. Das heißt, wenn etwas einfach und bedeutend ist, muss man darüber nicht reden. Andererseits steht außer Frage, dass ich heute meinen Vortrag halten muss. Dennoch habe ich das Gefühl, dass ich möglicherweise ohne meinen Kollegen Francis Crick, mit dem ich an der Struktur der DNA gearbeitet habe, etwas verunsichert bin. Anders als ich ist Francis ziemlich überschwänglich. Wer von Ihnen ihn einmal gehört hat, weiß, dass seine Vorliebe laut über seine Arbeit zu reden vielleicht ein bisschen unenglisch ist. Das spiegelt sich auch in der Tatsache wider, dass ich einige Jahre, nachdem Crick und ich in Cambridge gearbeitet hatten, nach Hause in die Vereinigten Staaten gereist und dann wieder zurückgekommen bin, und es bei dem für unser Labor in Cavendish zuständigen Lehrstuhl während meiner Abwesenheit von Cambridge einen Wechsel gegeben hatte: Professor Sir Laurence Bragg war von dem Physiker Nevill Mott abgelöst worden. Crick hielt es für angebracht, dass ich den neuen Professor nach meiner Rückkehr nach Cavendish kennenlerne. Er ging also zu Mott und sagte, dass er gerne ein Treffen zwischen mir und ihm arrangieren würde. Mott, ein ziemlich ruhiger theoretischer Physiker mit wenigen Interessen außerhalb seines Fachgebietes, sah Crick an und meinte: was Physiker einem Gebiet wie der Biologie entgegenbringen, nämlich vollkommenes Desinteresse. Andererseits war das nicht grundsätzlich die vorherrschende Haltung, und de facto besteht in einer Hinsicht ein relativ enger Zusammenhang zwischen der Arbeit, über die ich hier sprechen möchte, und der Physik. Dieser Zusammenhang ergab sich, soweit ich weiß, erst allmählich in den 20er und 30er Jahren, als einige Physiker, vor allem solche, die an Theorie interessiert waren, dachten, dass auf der untersten Stufe des Lebens ganz fundamentale Gesetze herrschen müssten. Genau wie die Quantenmechanik war auch dieser Denkansatz vielleicht neue Gesetze zu entdecken, die uns wirklich helfen würden die Biologie zu verstehen – revolutionär. Vielleicht lagen der Existenz lebender Materie neue physikalische Gesetze zugrunde, die die Physiker selbst noch nicht verstanden hatten. Dieses Empfinden wurde bei verschiedenen Gelegenheiten von Niels Bohr thematisiert, der einige der jüngeren Physiker in seinem Umfeld dahingehend beeinflusste, dass sie der Ansicht waren, dass die Physiker vielleicht etwas zur Biologie beizutragen hätten. Der meiner Meinung nach bedeutendste unter Bohrs Studenten war der junge deutsche Physiker Max Delbrück, der eine Zeit lang mit Lise Meitner in Berlin arbeitete und im Anschluss daran in die Vereinigten Staaten ging, um sich mit Genetik zu befassen. Physiker denken nämlich mehr oder weniger, dass der wichtigste Aspekt der Biologie das Gen ist – das Gen und die Chromosomen – und dass man, um das Leben zu verstehen, das Gen verstehen müsse. Man kann sagen, dass es damals zwei Möglichkeiten gab, das Problem anzugehen. Aus der zeitlichen Distanz betrachtet erscheint die eine ein wenig geheimnisvoll, nämlich dass bei lebenden Systemen etwas grundlegend anders ist, das nur der Physiker herausfinden kann. Das war natürlich ein Standpunkt, den die Biologen nur schwer akzeptieren konnten, denn sie waren ja keine Physiker und würden diese Systeme deshalb nie verstehen. Die zweite Sichtweise war praktischer, nämlich dass lebende Materie aus etwas besteht und man herausfinden muss, aus was. Das riecht verdächtig nach Chemie, d.h. man muss erst die chemischen Eigenschaften lebender Materie grundlegend studieren, bevor man erkennt, was zu tun ist. Die Physiker schlugen also in ihrem Interesse zwei Wege ein. Der eine war aus heutiger Sicht ein wenig geheimnisvoll: Etwas ist anders, wir wissen aber nicht was und befassen uns deshalb mit Genetik. Der zweite lautete: Wir wissen nicht, was wir sonst tun sollen, also versuchen wir herauszufinden, woraus lebende Materie besteht. Wenn wir das wissen, kommt vielleicht eines Tages die große Erkenntnis. und konnten es auch weiterhin tun. Mit dieser Aussage machten die Physiker also keinen großen Eindruck. Die Bedeutung ergab sich vielmehr aus einer Art allgemeinem Glauben der Physiker, dass man das einfachste aller möglichen Systeme untersuchen sollte, um zu Ergebnissen zu gelangen, d.h. dass die Biologie einfach ausgedrückt ein sehr komplexes Gebiet ist und Sie daher nicht die geringste Chance haben, irgendetwas zu erreichen, wenn Sie nicht die einfachste aller Lebensformen für Ihre Forschung auswählen. Dies führte Mitte der 30er Jahre zu dem Empfinden, dass das biologische Objekt, auf das man sich konzentrieren sollte, vielleicht die Viren sind, da sie in gewisser Weise als Lebewesen galten und zudem bekanntermaßen sehr klein sind, d.h. sie wurden für die kleinsten Objekte gehalten, die man untersuchen kann, die sich selbst reproduzieren konnten, also die Fähigkeit hatten aus eins zwei zu machen. Die Idee war, erforscht man Viren und fragt, wie sie aus eins zwei machen können, gelangt man zum innersten Kern lebender Materie. Bei der Erforschung der Viren lässt sich zudem fast unmittelbar herausfinden, was Gene und Chromosomen sind. Es bestand nämlich der Verdacht, dass ein Virus vielleicht einfach nur ein Gen ist. Diese Vorstellung wurde, denke ich, erstmals ganz deutlich von Hermann Muller zum Ausdruck gebracht, dem großen amerikanischen Genetiker, der, soweit ich weiß, 1945 den Nobelpreis erhalten hat. Muller war zwar seit langer Zeit von Viren fasziniert und meinte „Gut, erforscht sie“, folgte aber seiner eigenen Intuition, dass Viren interessant sind, niemals konsequent, sondern beschäftigte sich weiterhin mit der Fruchtfliege Drosophila, was, wie dem eigentlich intelligenten Muller wahrscheinlich bewusst war, zu keinem Ergebnis führen würde und es auch nicht tat. Nach der ersten großartigen Phase brachte die Untersuchung der Drosophila per se keinen wirklichen Erkenntnisgewinn bezüglich der Natur des Gens. Stattdessen kam unsere Erkenntnis, wie die Physiker es vorausgesagt hatten, tatsächlich aus dem Studium der einfacheren Systeme, insbesondere der Erforschung der Viren. Zwei wichtige Virusklassen regten unser Denken an. Naja, eigentlich waren es drei. Einmal die Viren, die sich in tierischen Zellen vermehren; sie interessierten uns hauptsächlich, weil sie Krankheiten auslösen, die uns betreffen. Die zweite Klasse sind Viren, die sich in Pflanzen vermehren und eine große Bedeutung für die Wissenschaft hatten, da sie als erste Viren umfassend chemisch erforscht wurden. Bei diesen Viren wurde erstmals deutlich, dass es sich um einfache Strukturen handelt, was durch die Vorstellung zum Ausdruck kam, dass sie vielleicht nur Moleküle sind. Die Verleihung des Nobelpreises an Wendell Stanley für seine Entdeckung, dass Tabakmosaikvirus-Partikel gereinigt werden und kristallartige Aggregate bilden können, spiegelt meiner Ansicht nach den starken Einfluss der Entdeckung wider, dass möglicherweise ein Virus als chemisches Objekt untersucht werden könnte. Es war also Stanleys Originalarbeit mit dem Tabakmosaikvirus, die in einer Reihe von Labors weitergeführt wurde – eines der wichtigsten sicherlich das von Professor Schramm in Tübingen. Dies führte zu, man könnte sagen, zwei Prinzipien: Viren sind einfach und ihr wichtigster Bestandteil ist die Nukleinsäure. Das heißt, bei der chemischen Untersuchung der Viren stellt sich heraus, dass sie aus einem Proteinteil und einem Nukleinsäureteil bestehen; man ging aber davon aus, dass die genetische Komponente der Nukleinsäureteil war. Nun, warum wurde mit einem Pflanzenvirus gearbeitet? Es war schlichtweg die Tatsache, dass man aus Pflanzen sehr große Mengen Virus isolieren und chemisch untersuchen konnte. Auf diese Weise war man in den 30er Jahren, wo große Materialmengen nötig waren, in der Lage chemische Analysen durchzuführen. Andererseits ist es für alle Wissenschaftler außer vielleicht Botaniker ziemlich schwierig mit Pflanzen zu arbeiten, denn es gibt nur einen Tabakpflanzenzyklus pro Jahr, man muss also in jahrelangen Zyklen rechnen. Das Arbeitstempo ist relativ langsam, und ich muss gestehen, dass ich zu einer Gruppe von Biologen gehöre, die Pflanzen für zu langweilig für die Forschung hielten. Das klingt vielleicht wie ein Vorurteil, aber vom Standpunkt des Genetikers ist es ziemlich öde, wenn man nur einen Pflanzenzyklus pro Jahr hat. Das System, das stattdessen die Situation vom biologischen Standpunkt aus wirklich beherrschte, waren Viren, die sich in Bakterien vermehrten. Der Physiker Delbrück entschied sich an diesem System zu arbeiten, da er es für das interessanteste hielt. Also begann er Ende der 30er Jahre am California Institute of Technology mit einfachsten Mitteln der Virusvermehrung auf die Spur zu kommen. Anders als vor 30 Jahren befassen sich heute Hunderte von Wissenschaftlern mit diesem Gebiet. Ich habe gewissermaßen eine besondere Beziehung dazu, denn es war meine erste Einführung in die Wissenschaft vor 20 Jahren, als meine Zusammenarbeit mit Delbrücks Freund, dem italienischen Mikrobiologen Luria, begann. Unsere Gefühlslage war damals vor allem von Hoffnung geprägt – man untersucht das Virus und zählt, wie aus einem viele werden, und vielleicht gewinnt man die große Erkenntnis, was dabei geschieht. Es gab nur ein Problem bei der ganzen Angelegenheit: Sie wollen etwas Grundlegendes erforschen, nämlich die Vermehrung eines Virus, und Sie denken vielleicht, das Virus sei so etwas wie ein Gen. Sie zählen, wie aus einem viele werden, und Sie möchten eine fundamentale Erkenntnis gewinnen. In den Köpfen von zumindest ein paar Leuten spukt die Idee herum, dass sich wirkliche Einblicke in den Prozess vielleicht nur erzielen lassen, wenn man einige tatsächlich neue physikalische Gesetze versteht oder entwickelt. Was für uns jedoch die ganze Zeit im Grunde genommen inakzeptabel war, war die Tatsache, dass wir nicht wussten, wovon wir sprechen. Da war der Begriff ‘Virus’, den man vereinfachen konnte, indem man sagte, dass das Bakterienvirus genau wie das Tabakmosaikvirus aus Protein und Nukleinsäure bestand, also zwei Bestandteile besaß, die Proteinkomponente und die Nukleinsäurekomponente. Und auch hier vermutete man, dass man sich wie bei dem Pflanzenvirus auf die Nukleinsäure konzentrieren sollte. Jetzt könnten Sie fragen „Wie kommt man von einem Nukleinsäuremolekül zu vielen?“ bzw. von einem zu zwei, denn das war der tatsächliche Prozess. Hier hatte man wirklich das Gefühl, dass man, wenn man richtig schlau wäre, die Lösung vielleicht erraten könnte. In meinem speziellen Fall sagte ich mir: Das Problem lässt sich nicht endgültig definieren, solange du nicht weißt, was Nukleinsäure ist. Das bedeutete, ich musste herausfinden, was DNA ist. In diesem Stadium gab ich mein Interesse an Bakterienviren für kurze Zeit völlig auf und ging nach Cambridge mit dem Gedanken, dass ich vielleicht dort mit Hilfe der modernen röntgenkristallographischen Techniken neue Erkenntnisse gewinnen könnte. Ich möchte aber heute nicht über diese Arbeit sprechen, denn ich kann mir vorstellen, dass praktisch jeder hier bei der einen oder anderen Gelegenheit zumindest von dieser Geschichte gelesen hat. Die Antwort lautete jedoch, dass die Struktur der DNA, die wir für das fundamentale genetische Material hielten, eine komplementäre Doppelhelix ist. Kennt man also die Struktur einer Kette, kennt man auch die der anderen; das war – ich glaube, das kann man so sagen – ein sehr, sehr angenehmer Schock. Wir sagten uns, okay, wir haben keine Ideen, also untersuchen wir die Struktur. Dabei hatten wir ein bisschen Angst, dass die Struktur, die wir entdecken würden, vielleicht langweilig sein würde und jemand anderes ihre Bedeutung mühsam herausfinden würde müssen. Als wir aber die Struktur der DNA entdeckten, wussten wir, dass, wenn es überhaupt einen Fall gab, in dem Understatement angebracht war, es die DNA war. Diese Struktur war so interessant, dass unsere einzige Angst nicht war, dass sie unbedeutend sein könnte, sondern dass wir möglicherweise alle an der Nase herumführen könnten, indem wir etwas behaupteten, was nicht stimmt. Das heißt, wenn es stimmte, musste es bedeutend sein, wenn nicht, wäre es völlig aberwitzig Hoffnungen zu wecken, dass dies des Rätsels Lösung sei. Aber Gott sei Dank stimmte es, d.h. als die Leute die Doppelhelix sahen, reagierten sie zwar unterschiedlich, fanden sie im Allgemeinen aber sehr hübsch – so hübsch, dass sie richtig sein musste. Und sie war es. Das war wichtig, nicht nur, weil die Struktur stimmte, sondern weil sie das Problem sozusagen enorm vereinfachte. Als ich noch zur Schule ging, nichts über das Leben wusste und ziemlich grauenvolle Biologiebücher lesen musste, die mit einer ein- oder zweiseitigen Beschreibung dessen begannen, was lebende Materie ist, was sie aktiv werden lässt, was sie reizt etc., hatte man immer das Gefühl, dass es noch etwas anderes gibt. Als Junge wurde einem stets gesagt, dass die Physik so kompliziert ist, dass nur ganz wenige Menschen sie verstehen. Als Beispiel wurde einem jedes Mal die Relativitätstheorie entgegen geschleudert, ein tiefgreifendes und sehr schwieriges Konzept. Man befürchtete, dass es mit der Biologie genauso sein könnte, dass es also, um sie wirklich zu verstehen und zu meistern, einen ausgesprochen klugen Kopf brauchen würde, der anschließend größte Schwierigkeiten haben würde anderen seine Erkenntnisse zu vermitteln. Doch genau das Gegenteil ist der Fall: Die Grundlagen der Selbstreplikation sind so einfach, dass sie selbst sehr jungen Menschen beigebracht werden können, so wie es heute der Fall ist. Wir wissen, dass die theoretischen Grundlagen für die Entwicklung der heutigen Biologie ganz simpel sind, einfache chemische Konzepte, die sich problemlos vermitteln lassen. Das ist ein glücklicher Umstand, denn obwohl ich gesagt habe, dass diese grundlegenden genetischen Prinzipien simpel sind, wäre es äußerst naiv, die Lösung vieler biologischer Probleme ebenfalls für simpel zu halten. Die Tatsache, dass die Theorie einfach ist, kann aber zumindest als Ausgangspunkt für die Erforschung der enormen Komplexität dienen; sofern man sich nicht allzu sehr verwirren lässt, hat man mit dieser Theorie die Chance kompliziertere Probleme tatsächlich zu lösen. Heute möchte ich über ein Bakterienvirus sprechen, ein ganz simples Virus, das simpelste, das wir kennen. Diese Tatsache, dass es das simpelste ist, ist auch der Grund, warum wir es untersuchen. Wir möchten zur Gänze verstehen, wie sich ein Virus vermehrt. So gesehen muss man verstehen, dass ein Virus komplizierter ist als ein Gen und vielleicht... angesichts der Unmengen von gesammelten Fakten können wir heute zusammenfassend sagen, dass das Gen ein DNA-Molekül ist, das, wie wir wissen, aus einer Doppelhelix besteht. Nun, habe ich gesagt, das Gen sollte etwas ungenau sein; ich sollte vielleicht sagen, zumindest einige Chromosomen. Ich spreche hier vom bakteriellen Chromosom, das bekanntermaßen ein DNA-Einzelmolekül ist. Die Beziehung zwischen dem DNA-Molekül und dem Gen ist dergestalt, dass man dieses fortlaufende DNA-Molekül in eine Reihe von Segmenten unterteilen kann, die als Gene bezeichnet werden können. Jedes dieser Gene ist für die Sequenz der Aminosäuren und Proteine verantwortlich, d.h. die DNA bestimmt als lineare Nukleotidsequenz eine lineare Sequenz der Aminosäuren und Proteine. Das ist also der Zyklus; um es mit einem altbekannten Satz zu beschreiben: Das war es, was die Genetiker dachten, dass es eine hübsche einfache Beziehung gab. Sie sprachen das aus, bevor man die unglaubliche, alles vereinfachende Tatsache erkannte, dass es sich bei einem Gen um eine lineare Ansammlung von Nukleotiden und bei einem Protein um eine lineare Ansammlung von Aminosäuren handelt, dass also eine lineare Sequenz eine andere bestimmt. An dieser Stelle sollten Sie einen Eindruck von der Komplexität der Organismen bekommen, mit denen wir uns befassen, den Bakterienviren, mit denen praktisch alle arbeiten und die sich in einem Bakterium namens Escherichia coli vermehren. Dabei handelt es sich um ein relativ simples Bakterium, das eine Stäbchenform besitzt und etwa 2 bis 3 Mikrometer groß ist, in diese Richtung etwa ein Mikrometer. Sein Chromosom ist ein DNA-Einzelmolekül. Hier ist unser Bakterium, das Chromosom wird jetzt vereinfacht dargestellt, es handelt sich um ein kreisförmiges DNA-Einzelmolekül. Wenn man die Komplexität der DNA vom chemischen Standpunkt aus angeben möchte, so ist sie mit einem Molekulargewicht von 2x10 hoch 9 sicherlich größer als das größte jemals entdeckte Molekül. Die Komplexität basiert also auf einem sehr großen Molekül. Die DNA ist wahrscheinlich in etwa 3000 Gene unterteilt. Die genaue Zahl kennen wir nicht, aber es sind sicherlich nicht weniger als 2000 und wahrscheinlich nicht mehr als 5000. Aber die Zahl der Gene, die wir haben, ist diese hier. Nun, je nach Standpunkt ist die Struktur damit entweder sehr einfach oder sehr komplex. Ich würde sagen, die Biochemie ist zu der Ansicht gekommen, dass 2000 Gene bedeuten, dass sie einfach ist. Diese Zahl überwältigt uns nicht, so dass wir von der Wissenschaft Abschied nehmen müssen – wir können ruhig weitermachen. Man könnte also sagen, dass wir, wenn wir die Bakterien vollständig verstanden haben, die Funktion jedes dieser Gene kennen. Das ist in etwa die Ebene, auf der wir die Dinge begreifen möchten. Nun, dies hier ist nicht das kleinste Bakterium, vielleicht gibt es zwei- bis dreimal simplere Bakterien, die möglicherweise nur ein Drittel des genetischen Materials aufweisen. Zufällig besitzt aber das Bakterium, auf das sich alle konzentriert haben, etwa diese Menge DNA. Würden wir noch einmal anfangen, würden wir vielleicht ein etwas einfacheres Bakterium auswählen, was die Sachlage jedoch auch nicht wesentlich ändern würde. Angesicht dieser Abbildung hier könnte man sagen “Welche Beziehung besteht zwischen dem Chromosom und dem Virus?“ Nun, ein Virus stellt man sich am besten als eine Art kleines Chromosom vor, also als ein kleines Stück Nukleinsäure, das von einer Art Proteinhülle umgeben ist. Heute wissen wir das, vor 30 Jahren dagegen dachte man, dass ein Virus möglicherweise ein von einem Protein umhülltes einzelnes Gen sei. Wir wissen also, dass man sich ein Virus am besten als ein von einem Protein umhülltes kleines Chromosom vorstellt, das über eine entscheidende Fähigkeit verfügt: Gelangt dieses virale Chromosom in eine Zelle, vermehrt es sich unkontrolliert, so dass eine große Anzahl an neuen Kopien entsteht, die dann von neuen Proteinhüllen umgeben werden. An dieser Stelle versteht man, wie komplex, d.h. wie groß das virale Chromosom wirklich ist. Wir wissen heute durch Zufall, dass es sich bei den von Delbrück untersuchten Viren T2 und T4 um relativ komplexe Viren handelt, die wahrscheinlich etwa 200 Gene innerhalb des viralen Parameters beinhalten. Das erschwerte und komplizierte die Sache erheblich. Wenn man ein solches Virus vollständig beschreiben will, muss man das Chromosom untersuchen und die Funktion der einzelnen Abschnitte ermitteln. Für eine vollständige chemische Beschreibung wären diese Viren etwas zu kompliziert. Wenn Sie ein Virus finden möchten, das Sie beschreiben können wie z.B. eine Schweizer Uhr, d.h. jeden einzelnen Baustein, so dass Sie seine genaue Funktionsweise kennen, wenn Sie die Position jedes einzelnen Atoms beschreiben möchten, müssen Sie mit etwas Kleinerem arbeiten. Sie müssen also nach einem kleineren Virus suchen. De facto gibt es eine Reihe erheblich kleinerer Viren. Man kann die Sache aber noch etwas komplizierter machen. Bislang habe ich immer von Nukleinsäure oder DNA und dem Zyklus, der bekanntermaßen so wichtig ist, gesprochen. Die DNA bestimmt das Protein, doch während dieses Prozesses entsteht ein Zwischenprodukt, eine zweite Nukleinsäureform, die Ribonukleinsäure, die als Vorlage für das Protein dient. Das erscheint unnötig komplex, aber so ist es nun einmal, und wir kennen jetzt die wesentlichen Bestandteile dieser Geschichte ziemlich genau. Der Schlüssel zu der ganzen Sache war, dass sich die DNA selbst vervielfältigt. Die biologische und chemische Grundlage dieser Selbstvervielfältigung war die Bildung von Basenpaaren, d.h. die Fähigkeit zur Erzeugung einer komplementären Doppelhelix, an der die Basen Adenin und Thymin bzw. Guanin und Cytosin kombiniert werden. Das ist das grundlegende Prinzip der Selbstvervielfältigung – Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin. Das ergäbe nun ein vollständiges Bild, wäre da nicht die Tatsache, dass manche Viren, am wichtigsten wohl das Tabakmosaikvirus (TMV), ein von Professor Schramm und seiner Arbeitsgruppe im Detail erforschtes Virus, keine DNA enthalten. Das war eine prekäre Tatsache, denn wenn man sagte, die DNA ist gleichbedeutend mit Genen und Gene sind für das Leben notwendig, musste man der Tatsache ins Auge blicken, dass dieses Virus keine DNA enthielt, sondern stattdessen RNA. Bei der RNA musste es sich also ebenfalls um genetisches Material handeln. Das bedeutete, auch hier musste es einen entsprechenden Zyklus geben, d.h. die RNA musste irgendwie in der Lage sein, sich selbst zu vervielfältigen und dann ein Protein zu bestimmen. Für die Übertragung von genetischen Informationen musste es also zwei unterschiedliche Zyklen geben, einen auf Grundlage der DNA, den anderen auf Grundlage der RNA. Hier könnte man fragen “Ist dieser Zyklus wirklich der gleiche wie bei der DNA? Basiert er auf demselben Prinzip?“ Tatsache ist zunächst einmal, dass sich RNA und DNA chemisch sehr ähnlich sind; weiterhin lässt sich sagen, dass man aus RNA-Ketten problemlos eine Doppelhelix bilden könnte. Theoretisch könnte man sich also für die RNA dasselbe Replikationsschema vorstellen wie für die DNA. Die Frage war jedoch nicht, ob dieses Schema existieren könnte, sondern vielmehr ob das existierende System diesem Schema entspricht. In den letzten 5 Jahren wurde dieses Problem hauptsächlich anhand einer Gruppe von Bakterienviren, also Viren, die sich alle in E. coli vermehren, eingehend untersucht. Anders als T2, bei dem es sich um ein DNA-Virus handelt, enthalten diese Bakterienviren RNA. Sie tragen zwar unterschiedliche Bezeichnungen – der erste, der entdeckt wurden, heißt F2, in meinem Labor arbeiten wir mit einem ähnlichen Virus namens R17, in Tübingen kommt FR zum Einsatz – doch die Viren sind sich alle recht ähnlich. Sie haben zwei, man könnte sagen… Nun, wofür genau interessieren wir uns, warum sollen wir unser Augenmerk auf diese Viren richten? Erstens weil sie RNA enthalten und wir mehr über RNA lernen möchten. Zweitens weil sie sich in E.coli vermehren, was von großer Bedeutung ist, denn die Bakterienvermehrung dauert nur 20 Minuten und der genetische Erkenntnisgewinn ist gewaltig. Es ist also um mehrere Größenordnungen einfacher mit E.coli zu arbeiten als mit einer anderen Zellform, wenn man genaue chemische Analysen durchführen möchte. Allein aufgrund dieser Sachlage benutzen viele Leute diese Viren für ihre Arbeit. Noch interessanter war allerdings, dass diese Viren chemisch äußerst simpel und sehr klein sind. Ihr Molekulargewicht beträgt insgesamt nur 3… (akustisch unverständlich 30.12), wohingegen das Molekulargewicht von T2 2x10 hoch 8 beträgt. Wir haben hier also ein sehr einfaches Virus, das aus einer einzelnen Nukleinsäurekette mit einem Molekulargewicht von 10 hoch 6 besteht. An dieser Stelle muss man grundsätzlich unterscheiden zwischen dieser Art Virus und T2, der aus DNA und damit einer Doppelhelix besteht. Dieses Virus besitzt bloß einen Nukleinsäurestrang, nicht zwei ineinander verdrehte Stränge, er ist also einsträngig und nicht doppelsträngig und enthält rund 3000 Nukleinsäuren. Nun, die Frage, die wir uns selbst stellen, lautet “Können wir die Vermehrung dieses Virus vollständig beschreiben?” Es ist das simpelste Virus, das wir kennen, d.h. das mit der kürzesten Nukleinsäurekette. Im Vergleich dazu ist die Nukleinsäurekette des Tabakmosaikvirus doppelt so lang. Unser Virus besitzt nur die Hälfte der genetischen Information und sollte daher einfacher zu analysieren sein. Ich zeigte Ihnen jetzt ein paar Dias. Hier sehen Sie den Zyklus: Die Rolle der DNA ist mittlerweile jedem bekannt, sie repliziert sich selbst und dient als Vorlage für die RNA, welche das Protein bildet. Das ist die übliche Art der Übertragung von genetischen Informationen innerhalb von Zellen. In der zweiten Zyklusform, in der RNA vorliegt, können deren genetische Informationen in ein Protein translatiert werden. Sie sehen hier diesen Zyklus; wir wollen ihn uns einmal näher anschauen. Das ist die übertragene genetische Information nach der Infektion einer Zelle durch ein RNA-Virus. Soweit wir wissen existiert dieser Zyklus nur nach der Infektion einer Zelle durch ein Virus. Es gibt keine Hinweise darauf, dass er auch ohne Viren stattfindet. Es mag Ausnahmen von der Regel geben, wir wissen nicht, ob es tatsächlich immer so ist. Doch es sind die einzigen Fälle, die wir heute untersuchen können. Das nächste Dia zeigt eine Art Zusammenfassung aller biochemischen Vorgänge von der DNA bis zur Polypeptidkette. Ich werde darauf nicht näher eingehen, da Professor Lipmann Ihnen übermorgen Näheres zur Proteinsynthese erläutern wird. Entscheidend ist, dass wir drei Formen von RNA haben – eine davon trägt die genetische Botschaft – und die Proteine auf kleinen Gebilden, sogenannten Ribosomen synthetisiert werden. Während der Proteinsynthese bewegt sich die genetische Botschaft über die Oberfläche des Ribosoms; dabei werden die Polypeptidketten länger. Ich möchte noch eine andere Tatsache erwähnen: Bei der Vorstufe der Proteinsynthese handelt es sich um eine Aminosäure, die an einem als… (unverständlich 33.33) bezeichneten Molekül hängt. Auf dem nächsten Dia sehen Sie eine elektronenmikroskopische Aufnahme eines Ribosoms. Ribosomen sind kleine Partikel, sozusagen die Fabriken zur Proteinherstellung. Diese elektronenmikroskopische Aufnahme wurde vor ca. 6 Jahren gemacht; leider muss man sagen, dass es bis heute keine bessere gibt. Unser Detail ist unbewegt; diese Partikel haben einen Durchmesser von ca. 200 Å und ein Molekulargewicht von etwa 3 Millionen. Sie bestehen aus zwei Untereinheiten, einer kleinen und einer großen. Auf dem nächsten Dia sind die beiden Untereinheiten sehr schematisch dargestellt. Sie bestehen aus einer Vielzahl unterschiedlicher Proteine. Die Struktur eines Ribosoms ist äußerst komplex und wir sind noch weit davon entfernt sie zu entschlüsseln. Das nächste Dia ist erneut eine Art Zusammenfassung der Tatsache, dass es sich bei der während des Wachstums einer Polypeptidkette entstehenden Vorstufe um die an diesem kleinen Stück RNA hängende Aminosäure handelt. Ich möchte klarstellen, dass es im Gegensatz zur DNA, die grundsätzlich als genetisch gilt, d.h. in einer Zelle ausschließlich Aminosäuresequenzen codiert, bei der RNA drei Formen gibt, von denen nur eine die genetische Information trägt. Die Form, die an der Aminosäure hängt, ist zwar nicht genetisch, man sollte aber nicht vergessen, dass die wachsende Kette an diesem Molekül hängt. Auf dem nächsten Dia sehen Sie eine sehr schematische Ansicht der Vorgänge bei der Proteinsynthese. Hier ist die wachsende Polypeptidkette, die mittels des ssRNA-Moleküls an einem Ribosom hängt; dann kommt eine neue Aminosäure und die beiden bilden eine Peptidbindung. Diese Details sind für das, worüber ich sprechen möchte, nicht weiter von Bedeutung, deshalb werde ich nicht näher darauf eingehen. Das nächste Dia zeigt nun das RNA-Virus, über das ich sprechen will, R17. Wie ich bereits sagte, ähnelt es stark verschiedenen anderen dieser kleinen RNA-Viren. Bezüglich seiner Struktur können wir sagen –wir möchten herausfinden, wie es sich vermehrt. Es ist das einfachste aller Viren, über die wir überhaupt etwas wissen. Aber wie einfach? Nun, zunächst einmal befindet sich im Zentrum des Virus ein aus einer Einzelkette mit 3000 Nukleotiden bestehendes RNA-Molekül. Aufgrund dieser Tatsache ist eines sofort klar: die Menge der genetischen Informationen ist dergestalt, dass prinzipiell 1000 Aminosäuren angeordnet werden können, denn wir wissen vom genetischen Code, dass aufeinander folgende Gruppen von drei Nukleotiden eine Aminosäure bestimmen. Hat man also eine RNA-Botschaft, die 3000 Nukleotide enthält, kann man damit theoretisch 1000 Aminosäuren anordnen. Wir kennen also grundsätzlich die Obergrenze. Was ist prinzipiell hierfür notwendig? Woraus besteht das Virus noch? Das Virus enthält zusätzlich zwei Arten von Proteinmolekülen. Das eine Proteinmolekül bezeichnen wir als Co-Protein, da es in großen Mengen vorliegt und jedes Viruspartikel 180 Kopien davon enthält. Das Molekulargewicht dieses Proteins liegt bei 14.700, es enthält 129 Aminosäuren und es wurde eine vollständige… (akustisch unverständlich 37.22) bestimmt. Neben diesem Protein, das etwa 99% der Gesamtproteinmenge des Virus ausmacht, gibt es noch ein zweites Protein, das unterschiedlich bezeichnet wird, wir nennen es Haftprotein. Die uns vorliegenden Hinweise legen nahe, dass es wahrscheinlich nur eine Kopie dieses Proteins pro Viruspartikel gibt. Wir wissen, dass es ein Molekulargewicht von etwa 35.000 besitzt und 300 Aminosäuren enthält. Wir wollen dieses Protein jetzt näher untersuchen, es wird aber wahrscheinlich noch einige Jahre dauern, bis wir genügend davon haben, um die Aminosäuresequenz zu bestimmen. Es ist nicht einfach zu isolieren, genaugenommen ist die Isolierung sogar ziemlich schwierig. Was muss man also tun, um ein neues Viruspartikel zu erzeugen? Nun, man muss während der Virusreplikation neue Kopien des Codeproteins, neue Kopien des Haftproteins und neue RNA herstellen. Jetzt das nächste Dia – wie sieht der Lebenszyklus des Virus aus? Diese Viren haben insofern einen etwas ungewöhnlichen Lebenszyklus, als sie sich nur in männlichen Bakterien vermehren. Hier haben wir das Bakterium E.coli, die beiden Geschlechter, das männliche und das weibliche; von dem männlichen Bakterium stehen kleine, ganz dünne Filamente, sogenannte Pili ab, an die sich die Viruspartikel heften. Das ist sozusagen der erste Schritt der Virusvermehrung. Innerhalb von etwa einer Minute, nachdem sich das Virus an diese Pili geheftet hat, gelangt die Nukleinsäure irgendwie in das Bakterium. Wir wissen nicht, wie sie von hier nach da gelangt, im nächsten Dia ist der Vorgang aber schematisch dargestellt. Wir denken bzw. wissen de facto, dass dieses Filament hohl ist und sich die Nukleinsäure vermutlich durch diesen engen Kanal in das Bakterium bewegt. Genaueres können wir nicht sagen, denn wir wissen nichts über die Struktur dieser dünnen Filamente. Es ist offensichtlich, dass sie ermittelt werden muss. Die Filamente stellen jedoch nur einen äußerst kleinen Prozentsatz dar, im Mittel 1 bis 3 Filamente pro Bakterium, sind nur etwa 100 Å dick und chemisch daher in großen Mengen recht schwer zu isolieren, auch wenn wir damit gerade beginnen. Das ist wahrscheinlich der erste Schritt. Das nächste Dia veranschaulicht streng schematisch, was geschieht: Innerhalb von einer Minute nach der Absorption des Virus an den Pili gelangt die Nukleinsäure in das Bakterium, nach etwa 15 Minuten im Inneren des Bakteriums werden einige fertige neue Viruspartikel sichtbar. und die neu entstandenen Viruspartikel treten aus der Zelle aus. Die Anzahl der in der Zelle wachsenden oder auftretenden Viruspartikel kann bis zu etwa 20.000 Partikel pro Zelle betragen, aus einem werden also 20.000, und das in ungefähr 30 Minuten. Tatsächlich können sie so dicht gepackt sein, dass man die Bildung richtiger dreidimensionaler Kristalle aus Viruspartikeln in der Zelle beobachten kann, bevor diese aufbricht. Man könnte sagen, dass das Endstadium so aussieht, dass 10% der Bakterienmasse in Viruspartikel umgewandelt wurden. Es handelt sich also um einen außerordentlich effizienten Prozess. Wenn man dies näher analysieren möchte, sollte man im Wesentlichen drei Dinge messen: die Entstehung neuer Moleküle des Codeproteins, die Entstehung des Haftproteins und die Entstehung eines dritten beteiligten Proteins. Es hat sich herausgestellt, dass, damit sich die RNA replizieren kann, d.h. aus einem RNA-Marker viele werden, ein neues Enzym in der Zelle gebildet werden muss. Es trägt unterschiedliche Namen, ich bezeichne es als Replikase. Dabei handelt es sich um ein spezifisches Enzym, das in nicht infizierten Zellen nicht vorliegt, sondern erst nach einer Virusinfektion gebildet wird. Dieses Enzym ist für die RNA-Replikation verantwortlich. Der Grund, warum sich die RNA in normalen Zellen nicht selbst repliziert, ist das Fehlen dieses Enzyms. Wie Sie gleich sehen werden, wird dieses Enzym durch das genetische Material des Virus codiert. Der RNA-Strang trägt die genetische Information zur Bildung dieses Enzyms, das die Selbstreplikation der RNA bewirkt. Im nächsten Dia können Sie die Kinetik in einer infizierten Zelle studieren, die Erzeugung dieser drei Proteine, die für die Herstellung des Virus notwendig sind. Das Codeprotein wird in großen Mengen über lange Zeit erzeugt. Die beiden anderen Proteine sind das Haftprotein und das Enzym RNA-Replikase, das für die Selbstreplikation der RNA verantwortlich ist. Eine interessante Tatsache, wie Sie feststellen werden, ist, dass das Codeprotein über lange Zeit hergestellt wird und zahlreiche Kopien davon entstehen, während von der Replikase und dem Haftprotein erheblich weniger Kopien erstellt werden und auch ihre Synthese recht bald eingestellt wird. Ihre Herstellung erfolgt kurzfristig und unterbleibt dann. Man könnte sagen, es ergibt einen biologischen Sinn, die Bildung des Haftproteins frühzeitig einzustellen, da man nur sehr wenige Kopien davon benötigt. Große Mengen sind nicht erforderlich und die Erstellung gleich vieler Kopien wäre völlig unsinnig, wenn das Viruspartikel nur wenige braucht. Man könnte sagen, dass es sich hier um ein Beispiel für einen Steuermechanismus handelt, anhand dessen ein Protein in größerer Menge hergestellt werden kann als ein anderes. Seine molekulare Basis ist im Wesentlichen eine Struktur aus einer Kette von viralen Nukleinsäuren; hier sieht man, wie sie gerade in die Zelle eingedrungen ist. Nach dem Eindringen der Kette in die Zelle heften sich die Ribosomen an ihr eines Ende und wandern an dem RNA-Molekül entlang. Während des Entlangwanderns löst sich das gebildete Protein – das Codeprotein ist entstanden. Wir sehen jetzt, dass sich in dem Viruspartikel im Wesentlichen drei Gene befinden. Alles deutet darauf hin, dass es nur drei sind, und wir haben alle drei identifiziert. An Nummer eins steht das Codeprotein, dann kommt als zweites das Haftprotein und drittens die Replikase. Die relativen Größen kennen wir nicht genau, aber dieses Gen müsste kleiner sein, da es nur 129 Aminosäuren codiert. Die Abbildung ist nicht wirklich maßstabsgetreu, dieses hier codiert etwa 300, dieses wahrscheinlich etwa 500. Zusammengenommen sind das die 1000 Aminosäuren, mit denen wir gerechnet haben. Nun, kann man sagen, dass wir absolut sicher sind? Die Antwort ist nein. Wenn es ein sehr kleines Protein hier dazwischen gibt, haben wir es unter Umständen noch nicht entdeckt. Definitiv kennen wir heute aber diese drei. In diesem Prozess haben wir ein RNA-Molekül, ein Chromosom, das drei Gene codiert, und zu Beginn, also etwas weiter hier, muss es wahrscheinlich ein Stopsignal geben. Wie Sie erraten können, gibt es auch ein Startsignal. Es wird also rasch gestartet und gestoppt; hier sollte ein Stop sein, Start, Stop und Start. Wir verfügen heute über Informationen darüber, was diese Starts und Stops sind. Sie haben vielleicht gedacht, dass die Kette mit…dass die erste Nukleotidsequenz ein Startsignal wäre und die letzte ein Stopsignal. In Wirklichkeit sieht es aber so aus, als ob das Viruschromosom insofern komplizierter ist, als dass einige Nukleotide nicht zum Start gehören. Wir wandern also erst an einigen Nukleotiden vorbei, erhalten dann ein Startsignal und am Ende ein Stopsignal, und danach folgen weitere Nukleotide, deren Funktion wir noch nicht kennen. Das nächste Dia zeigt wahrscheinlich das Grundprinzip des allgemeinen Problems d.h. warum erzeuge ich eine große Anzahl von Codeproteinmolekülen und nur eine kleine Anzahl von Haftprotein- und Replikasemolekülen?“ Der Grund ist, dass das Codeprotein, nachdem es sich im Anschluss an seine Herstellung in seine richtige dreidimensionale Form gefaltet hat, die Spezifität besitzt, sich an die RNA-Kette zu heften und die Ribosomen am Entlangwandern zu hindern. Heute steht mehr oder weniger zweifelsfrei fest, dass es sich so verhält; sobald eine kleine Anzahl von Codeproteinmolekülen entstanden ist, verlangt das Gleichgewicht, dass sie sich an die RNA heften, so dass sich das Ribosom nicht mehr bewegen kann. Es scheint heute wahrscheinlich, dass sich das Ribosom nur an das Ende des Moleküls heftet und dann entlangwandert. Blockiert man es also in irgendeiner Form, entsteht entweder mehr von dem ersten oder dem zweiten Protein. Mit Hilfe des nächsten Dias möchte ich den Sachverhalt darstellen, dass, wie wir wissen, im genetischen Code Gruppen aus drei Nukleotiden jeweils eine Aminosäuren codieren und die Startkodone möglicherweise AUG und G sind. Das ist im Wesentlichen der Code für eine ungewöhnliche Aminosäure namens Formlymethionin. Ich vereinfache das hier, ich mogle ein bisschen, aber nur um Ihnen zeigen, dass es Starts gibt; eigentlich ist es erheblich komplizierter. Was das Stopsignal angeht, wissen wir zwar, dass diese hier alle einen Stop auslösen, wir wissen aber nicht, wie. Eine lustige Geschichte, die bekannt wurde, als dieses Virus erstmals untersucht wurde, war, dass man die Herstellung aller Proteine zumindest in E.coli mit dieser Aminosäure namens Formylmethionin startete, also der Aminosäure Methionin mit einer am Aminoende hängenden Formylgruppe. Das war insofern komisch, als den Leuten dies bei der Proteinisolierung aus dem Bakterium nie aufgefallen war, und führte de facto zur Entdeckung des im nächsten Dia dargestellten Zyklus. Hier sehen Sie die beginnende Aminosäuresequenz für das Codeprotein: Formylmethionin, Alanin, Serin, Asparagin, Threonin, Phenylalanin. Daraus haben wir ein spezifisches Enzym hergestellt, das wir isoliert und einer Deformylierung zur Entfernung der Formylgruppe unterzogen haben. Dann gibt es ein zweites Enzym, das das Methionin entfernt. Dadurch entsteht die Sequenz, die wir in der Zelle, im intakten Viruspartikel vorfinden. Das ist ein Komplexitätsniveau, das ein Theoretiker nie vermuten würde. Wir wissen, dass dieser Zyklus abläuft, aber keiner weiß, wie dies geschieht, welchen Vorteil die Zelle von diesem Zyklus hat. Wir wissen, dass er immer so beginnt und immer so endet. Es ist wohl eine generelle Regel, dass Biochemiker nie raten, warum etwas geschieht; sie finden heraus, was geschieht, und versuchen den Grund dafür später zu ermitteln. Auch wenn es heißt, Theorie hilft, so hilft sie doch nur in manchen Fällen, meistens jedoch gewinnt man Erkenntnisse, indem man Experimente durchführt. Nun, das ist sozusagen das generelle Bild der Proteinherstellung. Eine RNA-Kette, die drei Proteine codiert, mit Start- und Stopsignalen und etwas Sonderbarem an ihren beiden Enden, das wir nicht verstehen. Abschließend kann man sagen, dass es gewissermaßen der letzte Faktor war… Wir haben ein Enzym, das RNA herstellt, aber wie funktioniert dieses Enzym? Das heißt, kommt das Prinzip der Basenpaarbildung zur Anwendung oder liegt ein völlig andersartiger Zyklus vor? Auf dem nächsten Dia sehen Sie, wie dieses Enzym funktioniert. Wenn wir hier mit einer Signalkette beginnen, stellt das Enzym ein Komplement her. Das bei der Komplementherstellung angewandte Prinzip ist die Bildung von Basenpaaren, die sich auch bei der DNA- bzw. RNA-Replikation findet. RNA enthält statt Thymin die Base Uracil, was vom Standpunkt der Basenpaarregel keinen Unterschied macht. Ich möchte Sie daher damit nicht weiter behelligen. Bei der RNA-Replikation entsteht jedoch ein Zwischenprodukt mit einer Doppelhelix. In der Mitte der Replikation haben wir also ein RNA-Molekül mit einer Doppelhelix. Der Strang, mit dem wir begonnen haben, ist der sogenannte Plusstrang, sein Komplement der sogenannte Minusstrang. Das Enzym ist also hier von rechts nach links entlang gewandert. Wir möchten aber keine neuen Minusstränge herstellen. Die Viruspartikel enthalten nur Plusstränge, d.h. man findet kein Gemisch aus beiden Strängen in dem Viruspartikel, sondern nur eine Sequenz, den Plusstrang. Das letzte Dia zeigt die zweite Stufe der RNA-Replikation, in der sich das Enzym aufgrund der replizierten Form in die entgegengesetzte Richtung bewegt und einen neuen Plusstrang erzeugt. Zum Schluss haben wir das freie Enzym, das sich wieder hierhin zurückbegibt und neue Plusstränge herstellt. Zum Schluss möchte ich sagen, dass wir wahrscheinlich alle entscheidenden Schritte bei der Vermehrung des einfachsten Virus, das wir kennen, verstehen, d.h. wir verstehen, wie das Virus Proteine herstellt. Das Virus benutzt bei der Proteinherstellung genau denselben Mechanismus, den wir vom normalen DNA-, RNA-Proteinzyklus kennen. Es ist exakt das gleiche System, es gibt keinen Unterschied. Das Virus benutzt im Wesentlichen dasselbe System. Die Replikation der RNA erfolgt im Grunde genommen nach demselben Prinzip wie die der DNA – es werden Basenpaare gebildet – doch man benötigt ein spezifisches, in nicht infizierten Zellen nicht vorhandenes Enzym, dass der RNA-Kette die Bildung ihres Komplements ermöglicht. Dieses Enzym ist äußerst spezifisch und seine Spezifität ist auf ein spezielles Virus beschränkt. Schaut man sich dieses Enzym in einer etwas komplexeren Darstellung an, ist es komplizierter als man denkt, denn es kann sowohl Plus- als auch Minusstränge produzieren. Es kann sich frei von rechts nach links oder von links nach rechts bewegen, was vom chemischen Standpunkt aus bedeutet, dass es sich um ein recht interessantes Enzym handelt. Bislang können wir noch überhaupt nicht sagen, wie dieser Vorgang abläuft, da bislang niemand das Enzym zu diesem Zweck isoliert hat. Ansonsten wurde das Enzym bereits isoliert, und man kann im Reagenzglas infektiöse RNA erzeugen. Das wurde erstmals in Spiegelmans Labor durchgeführt; eine sehr wichtige Entdeckung, zeigt sie doch, dass man im Reagenzglas fast alles machen kann. Wir sind aber noch nicht bis zum zweiten Stadium der eigentlichen Proteinisolierung vorgedrungen, nämlich der Bestimmung seiner dreidimensionalen Struktur und der Frage, wie es sich von rechts nach links und umgekehrt bewegen kann. Das wird uns in der Zukunft beschäftigen. Wohin führt unser Weg von hier? Ich denke, man kann sagen, dass die wichtigste Schlussfolgerung ist, dass die Viren keine völlig rätselhaften Gebilde mehr sind, dass wir jetzt den Zusammenhang mit dem normalen Zellzyklus und die Beziehung zwischen DNA- und RNA-haltigen Viren kennen. Man könnte auch sagen, dass wir jetzt wahrscheinlich das Vertrauen haben, dass wir – ein ausreichend einfaches Virus vorausgesetzt – wahrscheinlich all seine Replikationsschritte verstehen könnten. Solange wir es mit einem Virus zu tun haben, das nur ein paar Gene enthält, sollte es möglich sein, dieses Virus beinahe so gut zu verstehen wie eine Schweizer Uhr, d.h. all seine Bestandteile. Nun, ist all das die Mühe wert? Ich glaube, das ist teilweise eine Frage des eigenen Interesses, d.h. wie tiefgehend man die Sache wirklich verstehen möchte. Es gibt eine Sequenz aus 3000 Nukleotiden, falls jemand sich die Mühe machen möchte die genaue Sequenz zu bestimmen. Ich glaube, meine Antwort lautet „Ja“, auch wenn es mir gerade eben als eine unmögliche Aufgabe erscheint, eine Sequenz aus 3000 Nukleotiden zu bestimmen, doch vor 10 Jahren hätte man die Bestimmung einer Sequenz von 100 Nukleotiden für nicht durchführbar gehalten, so auch für...(akustisch unverständlich 55.01). Eines Tages wird es wahrscheinlich möglich sein, mit grundlegend verbesserten chemischen Verfahren die vollständige Sequenz zu bestimmen. Dann werden wir sagen können, wir wissen alles über das Virus, was wir wissen wollen. Wir würden die Bestimmung der vollständigen Sequenz schon allein deswegen durchführen wollen, um die Start- und Stopsignale zu sehen und nähere Einzelheiten über den genetischen Code zu erfahren. Ich möchte das Thema noch etwas ausweiten, vielleicht in die medizinische Richtung. Bei allem, worüber ich heute gesprochen habe, wurde das Virus als etwas betrachtet, das einzig und allein der Erforschung durch Wissenschaftler dient. Es gibt aber auch die medizinische Fragestellung; wir interessieren uns für Viren, weil sie Krankheiten hervorrufen und wir vielleicht herausfinden, wie wir sie bekämpfen können, wenn wir ihre Struktur genau kennen. Von meiner Warte aus ist eine der interessantesten Tatsachen, dass eine Reihe von potentiell krebserregenden Viren sehr kleine Viren sind, keine großen. Zu nennen ist hier insbesondere das sich in Mäusen vermehrende sogenannte Polyomavirus, dessen kreisförmiges DNA-Molekül wahrscheinlich genetische Informationen für höchstens 6 bis 7 Gene enthält. Die Arbeit mit Tieren ist erheblich schwieriger; bei einem Wechseln von einem Bakterienvirus zu einem Tiervirus verhundertfacht sich das Komplexitätslevel. Mit der optimistischen Einstellung, dass man alle 10 Jahre etwas in Angriff nehmen kann, das eine Größenordnung schwieriger ist, und es außerdem immer Menschen gibt, die schlauer sind als andere, gelingt es uns vielleicht in den nächsten 10 Jahren ein Virus dieser Komplexität in Tierzellen zu vermehren und die Auswirkungen seiner genetischen Informationen umfassend zu definieren. Wenn wir das wissen, sind wir dem Verständnis dafür, warum dieses Virus einen Tumor auslösen kann, möglicherweise schon ein großes Stück nähergekommen. Ich bin mir ganz sicher, dass vielleicht in den nächsten 10 und sicherlich in den nächsten 20 Jahren jemand dieses Podium betritt und erklärt, was ein solches Virus tut und warum es Krebs auslöst. Dann werden wir von einer großen wissenschaftlichen Leistung sprechen können. Vielen Dank.

James Watson (1967)

RNA Viruses and Protein Synthesis

James Watson (1967)

RNA Viruses and Protein Synthesis

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When a 39-year old James Watson lectured at the Lindau Meeting in 1967, he was the second youngest Nobel Laureate to do so. The youngest had made his entrance into the Lindau Meetings two years earlier: Rudolf Mößbauer, Nobel Laureate in Physics 1961, gave his first Lindau lecture at the unusually low age of 36. But when Mößbauer continued lecturing on the average every three years for the rest of the 20th Century, Watson so far only returned to Lindau in 1981. Judging from the lecture he gave in 1967, this is a real pity! The audience at the Lindau Meetings typically consists of several hundred young scientists and having a Nobel Laureate lecturer only a few years older must have been an extra bonus. But not only his low age speaks for him but also the way he delivered the lecture. In 1967, James Watson was finalising the manuscript for his book “The Double Helix”, published early 1968. The book is his very personal account of how the structure of DNA was resolved and today it belongs to the classics of (popular) science. But the manuscript met criticism from several colleagues, some who threatened to sue if it was published, and he had problems finding a publisher. Nothing of this stress factor can be heard in the lecture, which begins with an excellent 15-minute historical overview, presented without a manuscript and in such a laid-back way that one could imagine that a much older and more experienced lecturer delivered it. When the 15 minutes are gone, Watson starts unravelling the secrets of RNA viruses and protein synthesis using the blackboard and finally also shows some slides. Even if you are not interested in the scientific core of the lecture, at least listen to the intro!

Anders Bárány

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