Nobel Women

Just two years after the inaugural set of Nobel Prizes were bestowed in 1901, Marie Curie snagged one-quarter of the Physics award for her work on radioactivity [1]. She became the first woman to receive the Nobel Prize and, less than a decade later, the Nobel Committee recognised her work in chemistry with a second award. Curie still holds the distinction today as the only person to be awarded the Nobel Prize in two different scientific fields [2].

In the more than one hundred years that followed, women continued to receive Nobel Prizes — but at a much lower rate than their male counterparts. Between 1901 and 2019, the world’s most prestigious awards have only been given to 53 women, as compared to a whopping 897 men [3]. The majority of female Laureates won for their contributions to Literature or Peace, while only 21 female Laureates have been recognized in the scientific fields (Physics, Chemistry, Physiology or Medicine, Economic Sciences) [4].

Dorothy Crowfoot Hodgkin recived the 1964 Nobel Prize in Chemistry. Before her this hounour has only been bestowed on two other femal scientists: Marie Curie and Irène Joliot Curie. This picture shows Dorothy Crowfoot Hodgkin at the 36th Lindau Meeting in deep discussion with the next generation of sicentists.
Dorothy Crowfoot Hodgkin recived the 1964 Nobel Prize in Chemistry. Before her this hounour has only been bestowed on two other femal scientists: Marie Curie and Irène Joliot Curie. This picture shows Dorothy Crowfoot Hodgkin at the 36th Lindau Meeting in deep discussion with the next generation of sicentists.

Clearly, women remain under-represented among Nobel Laureates, particularly in the sciences. Fortunately, some positive changes are afoot. The organizations in charge of the science prizes — the Royal Swedish Academy of Sciences and the Nobel Assembly at the Karolinska Institute in Stockholm — have started to alter their nomination processes to support gender diversity [5]. In the last 16 years, eleven women were honoured with the Nobel Prize in the scientific fields, which is one more than the entire first century of the award’s history [6]. If taken as a trend, the next 100 years should see the addition of many more female scientists to the distinguished list of Laureates.

 

Marie Curie: A Pioneer for Women in Science

Marie Curie overcame countless barriers against women in science to reach her level of achievement. Even though she was brilliant as a child, no university in Poland, her home country, accepted women at the time. So, she began work as a private tutor, one of the few intellectual jobs open to women. Curie also took classes at an illegal, clandestine university for women, which had scholars and scientists meet with women secretly in apartments, homes, and shops to give them an advanced education [7].

Her cousin, who directed the Museum at the Ministry of Industry and Agriculture in Warsaw, agreed to teach her wet bench chemistry — and that’s what sparked her lifelong love for experimental laboratory research. Eventually, Curie amassed enough money working as a governess to enrol at the Sorbonne. In Paris, she met husband Pierre Curie, who was a laboratory supervisor and allowed her to freely perform research in his space.

Their collaborations led to sharing half of the 1903 Nobel Prize in Physics, after studying the radioactivity of the mineral pitchblende. Her work garnered immediate attention from the scientific community, who marvelled both at the results and at the fact that a married couple made the discovery together [8]. The following clip from a Mini-Lecture describes Marie Curie’s early accomplishments that led to her first Nobel Prize.

The following sequence from a Mini-Lecture on X-ray crystallography describes how Bernal mentored Hodgkin and others with his idea of using the technique to analyse the structure of large biomolecules.
(00:03:05 - 00:04:43)

The complete video is available here.

Even after her husband’s death in 1906, Curie persisted with her research on pitchblende despite falling into a period of immense grief. She became the first woman to lecture at the Sorbonne, and in 1911, received her second Nobel Prize in Chemistry for the discovery of the radioactive elements polonium and radium contained within pitchblende. One of her two daughters, Irène Joliot-Curie, followed closely in her mother’s footsteps by working on radioactivity and even winning a Nobel Prize [10]. She shared the 1935 Nobel Prize in Chemistry with her husband, Frédéric Joliot, for the synthesis of new radioactive elements.

 

1940 - 1979: The Next Generation of Pioneers

After Irène Joliot-Curie’s Nobel Prize, twelve long years passed before another female scientist would be recognised by the Nobel Committee. In 1947, Gerty Cori shared the Nobel Prize in Physiology or Medicine with her husband, Carl Cori, and Bernardo Houssay [11]. They studied mechanisms of metabolism together, including how glycogen is converted into glucose. The Coris were honoured for their identification of the enzyme that initiates the decomposition of glycogen into glucose.

The 1960s finally saw two women receive Nobel Prizes for Physics and Chemistry, distinctions previously only held by the Curies. Maria Goeppert-Mayer (Physics, 1963) worked for many years in physics without pay, since she had difficulty securing a university position as a woman. Nevertheless, she stuck with her research on chemical physics and the origin of the elements. After much perseverance and help from colleagues, she nabbed one-quarter of the Nobel Prize for an atomic model in which protons and neutrons are distributed in shells with different energy levels [12].

Around the same time as Goeppert-Mayer, Dororthy Crowfood Hodgkin (Chemistry, 1964) similarly found herself unable to find work, despite graduating from Oxford University with stellar grades. Fortunately, J.D. Bernal at Cambridge took her under his wing to perform research in his X-ray crystallography lab. The technique measures the angles and intensities of diffracted X-ray beams to determine the three-dimensional structure of a crystal.

The following clip from a Mini-Lecture on X-ray crystallography describes how Bernal mentored Hodgkin and others with his idea of using the technique to analyse the structure of large biomolecules.

X-ray crystallography (2014) - X-ray crystallography is the most important tool to determine the atomic and molecular structure of matter.

X-ray crystallography is a method for elucidating the structure of molecules. It enables scientists to decipher the structure of important and complex biochemical molecules and helps them to understand their function. During the 20th century, X-ray crystallography revolutionized biology. Many Nobel prizes, in physics, chemistry and physiology or medicine have been awarded for work based on X-ray crystallography. X-rays, which were discovered by Conrad Röntgen in 1895, have a wavelength that corresponds approximately to the distance between the atoms within a crystal. Therefore crystal lattices reflect X-rays and bend them into specific directions. The diffracted beams produce patterns that can be made visible and stored by means of photographic plates or other detectors. It was Max von Laue who first described this phenomenon in 1912. His discovery marks the beginning of modern crystallography and earned him the Nobel Prize in Physics in 1914. From all forms of diffraction of light, the most remarkable and most useful for measuring wavelength is the diffraction by lattices. A crystallographic theory says that nature created lattices at an atomic scale – the crystals. These are indeed lattices, having not two but three lattice constants, so called cubic lattices. One could calculate those three lattice constants, the length of this constant, to a certain level. From the density of the crystal and the mass of the atoms contained therein. But one wasn't very sure about this approach. The result was in the order of 10 to the minus 8 centimetres. And so all hope was gone to see any interactions of light at the lattice since the wavelength of light is smaller by an order of 1000. For X-rays the estimated wavelength was, according to Sommerfeld and Wien, approximately 10 to the minus 8 to 10 to the minus 10 centimetres. So one could hope for lattice interactions. By "crystal", we understand a solid, in which atoms are arranged in a regular three-dimensional crystal lattice. Snowflakes, for example, are crystals. In 1611, Johannes Kepler discovered their hexagonal shape and suspected the cause was the cold. This assumption reveals the etymological origin of the term "crystal". The ancient Greeks thought that rock crystals were forever frozen water and named it after ice: krystallos. Building on Max von Laue's discovery, William Bragg and his son Lawrence Bragg, employed the procedure of X-ray diffraction to solve the structure of simple anorganic crystals such as those of sodium chloride and diamond. For that work they were awarded the Nobel prize for physics in 1915. The structure of the crystal causes the X-ray beam to be reflected only in specific directions. The intensities of these reflections are measured. With their help, a three-dimensional image of the electron density in the crystal can be calculated, and thus, the positions of the atoms can be determined. Lawrence Bragg also established what became widely known as Bragg's law. It explains why crystals radiate X-rays only at certain angles. The regular crystal grid only allows constructive interference for certain angles and, consequently, a signal gain of the diffracted X-ray. The Bragg equation sets this angle in relation to the distance of certain grid planes of the crystal. I have always been interested in trying to apply X-ray analysis to more and more complicated bodies. And this story is the analysis of the most complicated bodies which have yet been successfully investigated – the protein structures. When we started this investigation, the hemoglobin which we chose, is a molecule containing ten thousands atoms. So far, the most complex structures, which had been investigated, where those done by Dorothy Hodgkin. In particularily the structure of Vitamin B12, which contains 181 atoms. The difficulty of getting out a structure goes up as a high power of the number of atoms in it. So we were trying to do a molecule with ten thousands atoms when the best so far had a 180. It was J.D. Bernal, a young scientist from William Bragg’s laboratory who in the 1920s conceived the idea that large biomolecules like proteins could also be crystallized and analysed using X-ray diffraction. At the Cavendish Institute in Cambridge which was later directed by Lawrence Bragg, J.D. Bernal started a project led by Max Perutz as well as one led by Dorothy Crowfoot Hodgkin. Perutz and Hodgkin both performed heroic searches of more than 20 years in quest of the structure of the proteins hemoglobin and insulin, respectively. It was Perutz’ post-doc John Kendrew, however, who succeeded in elucidating the first three-dimensional structure of a protein. Myoglobin is a protein that is responsible for transporting oxygen in the muscles. Shortly thereafter, Max Perutz deciphered the structure of hemoglobin, which is responsible for transporting oxygen in the blood. They were awarded the Nobel Prize in Chemistry in 1962. In the same year, Francis Crick, James Watson and John Wilkins won the Nobel Prize in Physiology or Medicine for elucidating the double helix structure of DNA. Dorothy Crowfoot Hodgkin was awarded an unshared Nobel Prize in Chemistry in 1964. On the way these pioneers had to overcome a large number of fundamental problems, most importantly the so-called phase problem. It is connected with the fact that the spots on a photographic plate can give you a measure of the intensity of an electromagnetic wave, but not of its phase. Since the latter is needed for a mathematically stringent extraction of the crystal structure from the diffraction data, a number of practical methods have been used to overcome this problem. One is producing crystals with and without insertions of heavy atoms and comparing diffraction data for the two kinds of crystals. But in the 1950s, the mathematician Herbert Hauptman and the physical chemist Jerome Karle showed that by solving a certain large set of equations, the crystal structure can in fact be determined in a direct method. For their theoretical solution of the phase problem they received the Nobel Prize in Chemistry in 1985. The following images of Nobel Laureates Jerome Karle and Herbert Hauptman illustrate the importance of the phases. Combining the phases of the image of Hauptman with the amplitude of the image of Karle, we get the image, as shown below left. The image below right shows what happens when you combine the phases of Karle with the amplitudes of Hauptmann. What becomes clear is how the phases dominate the resulting image. Since the 1960s, more and more complex biological molecules have been crystallized and their structures elucidated. So then, I wanted to turn back to the problem that had been interested me all along, and that was inspired by two individuals with whom I interacted a lot: Jim Watson and Francis Crick. Now, Jim was at Harvard when I was a graduate student, actually I played tennis with him, went to his group meetings, and he was working on the ribosome, so he got me interested in that area. And when I went to Cambridge, Francis of course was always around talking about everything, including the ribosome and other things. So, that got me interested in thinking about this central dogma of molecular biology, which is DNA is copied into DNA, then DNA is transcribed into RNA, and then finally RNA is transcribed into protein. So we started out on working on regulatory proteins and PLIM... and did this for many years. And we are still doing this. We are still trying to put together this entire machinery that is involved in replication, transcription, transcription regulation and this synthesis by the ribosome and I’m gonna focus on how peptide bond formation occurs. Knowledge of the crystal structure enables a deeper understanding of the three-dimensional structure at atomic level. Molecular biology establishes X-ray analysis as the fundamental method to break down and understand molecules, from the simplest compounds to the most difficult protein-nucleic acid complexes. So far, about 90,000 structures of crystalline macromolecules have been decoded. In some modern particle accelerators, called synchrotrons, brilliant X-rays are generated, which help crystallographers decode structures of macromolecules with smaller and smaller crystals. Scientific advances in X-ray analysis allow us to understand more deeply the molecules of life.

Die Röntgenkristallographie ist eine Methode zur Aufklärung von Molekülstrukturen. Mit diesem Verfahren lässt sich der Aufbau wichtiger und komplexer biochemischer Moleküle bestimmen und ihre Funktionsweise nachvollziehen. Im Laufe des 20. Jahrhunderts hat die Röntgenkristallographie die Biologie revolutioniert. Viele Nobelpreise für Physik, Chemie sowie Physiologie oder Medizin wurden für Arbeiten vergeben, die auf der Röntgenkristallographie beruhen. Die Röntgenstrahlen, die von Conrad Röntgen 1895 entdeckt wurden, weisen eine Wellenlänge auf, deren Größenordnung ungefähr dem Abstand der Atome in Kristallen entspricht. Deshalb werden Röntgenstrahlen von Kristallgittern reflektiert und in bestimmte Richtungen gebeugt. Die gebeugten Strahlen erzeugen Muster, die sichtbar gemacht und mit Hilfe von Fotoplatten oder anderen Anzeigevorrichtungen gespeichert werden können. Max von Laue hat dieses Phänomen 1912 erstmals beschrieben. Seine Entdeckung markiert den Beginn der modernen Kristallographie und brachte ihm 1914 den Nobelpreis für Physik ein. Unter allen Beugungserscheinungen am Licht ist die die kennzeichnendste und für die Wellenlängenmessung geeignetste die Beugung am Gitter. Eine alte kristallographische Theorie besagte, dass die Natur atomare Gitter geschaffen habe, nämlich in den Kristallen. Es handelt es sich dabei freilich um Gitter, nicht mit zwei, sondern mit drei Perioden, sogenannte Raumgitter. Man konnte die drei Gitter-Konstanten, d.h. die Länge dieser Perioden auch größenordnungsmäßig ausrechenen, also die Dichte der Kristalle, und aus dem Gewicht der in ihnen vertretenen Atome. Aber genau wusste man das nicht. Und man fand dafür die Größenordnung zehn hoch minus acht Zentimeter und damit war jede Hoffnung, Gitterwirkung am Licht mit solcher Raumgitter zu erhalten, von vornherein abgeschnitten. Denn die sichtbaren Wellenlängen sind ja rund tausend Mal größer. Bei Röntgenstrahlen aber lauteten die Wellenlängenschätzungen von Wien und Sommerfeld, wie wir schon sahen, auf rund zehn hoch minus acht bis zehn hoch minus neun Zentimeter. Da konnte man von vornherein auf Gitterwirkungen hoffen. Unter einem “Kristall” verstehen wir einen Festkörper, dessen Atome regelmäßig in einer dreidimensionalen Kristallgitterstruktur angeordnet sind. Ein bekanntes Beispiel dafür sind Schneeflocken. In dieser Annahme ist der etymologische Ursprung des Begriffs “Kristall” begründet. Die alten Griechen betrachteten Steinkristalle als ewig gefrorenes Wasser und benannten sie nach dem Eis: krystallos. Auf der Grundlage der Entdeckung von Max von Laue nutzten William Bragg und sein Sohn Lawrence Bragg das Verfahren der Röntgenbeugung, um die Struktur einfacher anorganischer Kristalle, wie die von Kochsalz und Diamanten, aufzuklären. Für diese Arbeit erhielten sie 1915 den Nobelpreis für Physik. Die Struktur des Kristalls beugt den Röntgenstrahl nur in bestimmten Beugungswinkeln. Die Intensität dieser Beugungen wird gemessen und aus diesen Werten eine dreidimensionale Darstellung der Elektronendichte im Kristall errechnet, aus der sich die Positionen der Atome ermitteln lassen. Lawrence Bragg stellte auch das als Braggsches Gesetz bekannt gewordene Gesetz auf, das erklärt, warum Röntgenstrahlen an einem Kristall nur in bestimmten Winkeln gebeugt werden. Das regelmäßig angeordnete Gitter lässt eine konstruktive Interferenz und demzufolge eine Detektierbarkeit des gebeugten Röntgenstrahls nur für bestimmte Einfallswinkel zu. Die Braggsche Gleichung setzt diesen Winkel in Beziehung zum Abstand bestimmter Gitterflächen des Kristalls. Ich war stets daran interessiert, die Röntgenanalyse auf immer kompliziertere Strukturen anzuwenden. Und hier geht es um die Analyse der komplexesten Strukturen, die bisher erfolgreich analysiert wurden – um die Proteine. Als wir mit den Untersuchungen begannen, war unser Untersuchungsobjekt das Hämoglobin, ein Molekül mit zehntausend von Atomen. Bis dahin waren die komplexesten Strukturen jene, die Dorothy Hodgkin untersucht hatte. Herauszuheben ist dabei die Struktur des Vitamin B12 mit 181 Atomen. Die Schwierigkeit bei der Untersuchung einer Struktur potenziert sich mit der Anzahl der Atome. Wir versuchten uns also an einem Molekül mit zehntausend Atomen, während die tiefgehendste Erforschung bis dahin nur 180 Atome betraf. Es war J.D. Bernal, ein junger Wissenschaftler aus dem Labor von William Bragg, der in den 1920-er Jahren die Idee entwickelte, große Biomoleküle, wie Proteine, zu kristallisieren und mit Hilfe der Röntgenbeugung zu untersuchen. Am Cavendish Institute in Cambridge, dessen Leitung Lawrence Bragg später übernahm, initiierte J.D. Bernal ein Projekt das zum einen Teil von Max Perutz und zum anderen von Dorothy Hodgkin geleitet wurde. Sowohl Perutz als auch Hodgkin forschten über 20 Jahre lang unermüdlich mit dem Ziel, die Struktur der Proteine Hämoglobin und Insulin zu beschreiben. Es war jedoch der in der Gruppe von Perutz tätige Postdoktorand John Kendrew, dem die Aufklärung der ersten dreidimensionalen Struktur eines Proteins schließlich gelang. Myoglobin ist ein Protein, das für den Sauerstofftransport in den Muskeln verantwortlich ist. Kurz darauf gelang Max Perutz die Entschlüsselung der Struktur von Hämoglobin, das für den Sauerstofftransport im Blut verantwortlich ist. Die beiden wurden 1962 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet. Im selben Jahr erhielten Francis Crick, James Watson und John Wilkins den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin für die Aufklärung der Doppelhelixstruktur der DNA. Dorothy Crowfoot Hodgkin wurde 1964 mit einem ungeteilten Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet. Auf ihrem Weg hatten diese Pioniere eine Menge grundlegender Probleme gelöst. Eines der bedeutendsten Probleme ist das so genannte Phasenproblem. Es hat mit der Tatsache zu tun, dass man mit Hilfe der Flecken auf einer Fotoplatte zwar die Intensität einer elektromagnetischen Welle, aber nicht ihre Phase messen kann. Da letztere aber für eine mathematisch eindeutige Folgerung der Kristallstruktur aus den Beugungsdaten benötigt wird, wurden zahlreiche praktische Methoden zur Überwindung dieses Problems eingesetzt. Eine davon ist die Erzeugung von Kristallen mit und ohne die Einbringung von schweren Atomen und ein Vergleich der Diffraktionsdaten für beide Kristallarten. In den 1950er Jahren gelang allerdings dem Mathematiker Herbert Hauptman und dem Physikochemiker Jerome Karle der Nachweis, dass sich die Kristallstruktur durch Lösung eines bestimmten umfassenden Gleichungssystems auf direktem Wege ermitteln lässt. Für ihre theoretische Lösung des Phasenproblems wurde ihnen 1985 der Nobelpreis für Chemie zuerkannt. Die folgenden Abbildungen der Nobelpreisträger Jerome Karle und Herbert Hauptman verdeutlichen die Bedeutung der Phasen. Kombiniert man die Phasen aus dem Bild von Hauptman mit der Amplitude aus dem Bild von Karle, entsteht daraus das unten links zu sehende Bild. Und das Bild unten rechts zeigt, was geschieht, wenn die Phasen von Karle mit den Amplituden von Hauptmann kombiniert werden. Es wird deutlich, wie die Phasen das resultierende Bild dominieren. Seit den 1960-er Jahren konnten zunehmend komplexe biologische Moleküle kristallisiert und ihre Strukturen aufgeklärt werden. Ich wollte mich also wieder dem Problem widmen, das mich am meisten interessierte und zu dem ich inspiriert vom häufigen Austausch mit Jim Watson und Francis Crick gestoßen war. Jim war in Harvard als ich promovierte. Wir spielten Tennis, ich ging zu seinen Gruppen-Meetings. Er arbeitete am Ribosom und das führte mich letztlich zu diesem Forschungsbereich. Und als ich nach Cambridge ging, war Francis natürlich immer irgendwo um uns. Er sprach über alles, auch über darunter auch das Ribosom. Dadurch wurde mein Interesse geweckt an diesem zentralen Dogma der Molekularbiologie: das Kopieren von DNA, die Translation zu RNA, und dann die Transkription von RNA zu Protein. Wir begannen mit der Arbeit an Regulatorproteinen und an Polymerasen … und verfolgten die Arbeit für viele Jahre. Und wir sind immer noch dabei. Wir versuchen immer noch die gesamte Maschinerie zusammenzusetzen, die beteiligt ist an der Replikation, der Transkription, der Transkriptionsregulation sowie der Synthese durch das Ribosome. Ich werde mich darauf konzentrieren, wie die Peptidbindung zustandekommt. Das Wissen über die kristalline Struktur trägt zu einem tieferes Verständnis der dreidimensionalen Struktur auf atomarer Ebene bei. Die Molekularbiologie hat die Röntgenanalyse als grundlegende Methode zur Aufschlüsselung und zum Verständnis der Moleküle – beginnend bei den einfachsten Verbindungen bis hin zu schwierigsten Proteinnukleinsäurekomplexen – etabliert. Bis heute konnten mit dieser Methode rund 90.000 Strukturen kristalliner Makromoleküle decodiert werden. In einigen modernen Teilchenbeschleunigern, so genannten Synchrotronen, werden brillante Röntgenstrahlen erzeugt, die die Kristallographen bei der Dekodierung der Strukturen von Makromolekülen immer kleinerer Kristalle unterstützen. Wissenschaftliche Fortschritte in der Röntgenanalyse ermöglichen es uns, unser Wissen über die Moleküle des Lebens weiter zu vertiefen.

The following sequence from a Mini-Lecture on X-ray crystallography describes how Bernal mentored Hodgkin and others with his idea of using the technique to analyse the structure of large biomolecules.
(00:05:29 - 00:06:53)

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Crowfoot-Hodgkin greatly advanced the technique by applying it to biomolecules like penicillin, insulin, and vitamin B12 [13-15]. She was honoured as the sole recipient of the 1964 Nobel Prize in Chemistry for her achievements. Crowfoot-Hodgkin attended the Lindau Meetings in total five times. In her final Lindau lecture, she recalls going back to Oxford after a two-year stint at Cambridge and successfully determining the structure of penicillin.

Dorothy Crowfoot Hodgkin reminiscences her return from Cambridge to Oxford which would lead to the determination of the structure of penicillin.
(00:55:20 - 01:01:43)

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Across the pond, a bright young woman named Rosalyn Yalow switched her major from chemistry to physics while studying at New York’s Hunter College [16]. She had recently read Marie Curie’s biography, written by her daughter Eve Curie, which spurred Yalow’s excitement about nuclear physics. Because World War II had created a shortage of male graduate students in the U.S., she was accepted into physics graduate school at the University of Illinois — the first female student in the department since 1917.

Eventually, Yalow returned to New York to perform research at the Veterans Administration Hospital in the Bronx. In collaboration with Solomon A. Berson, she pioneered a technique called radioimmunoassay, which uses radiolabelled molecules to measure small concentrations of substances in the body [17]. In particular, they added radiolabelled iodine to the insulin molecule in order to follow the hormone after injection into the body. Yalow and Berson found that diabetic patients given cattle insulin had developed an immune response and formed antibodies against it. Today, as a result of their discovery, diabetic patients only take human insulin.

She received the 1977 Nobel Prize in Physiology or Medicine, taking home half the prize (Berson had unfortunately passed away at this point). In this 1978 Lindau lecture, Yalow describes her early work on type 2 diabetes that led to the development of radioimmunoassay.

Rosalyn Yalow (1978) - Radioimmunoassay: Tool for Biomedical Investigation and Clinical Medicine

Sehr geehrte Preisträger, Studenten und andere Gäste. Als Wissenschaftler müssen wir zu schätzen wissen, dass es jetzt dank der Wissenschaft und den mit den Fortschritten einhergehenden Errungenschaften als jemals zuvor in der Geschichte. Wenn die Probleme, auf die sich Dr. Wald heute Morgen bezog, gelöst werden sollen, kann dies nur durch das Bewusstsein geschehen, dass die Weltbevölkerung nicht weiter wachsen darf, denn nur so kann unser Problem gelöst werden. Aber wer unter uns ist weise genug zu entscheiden, wer leben soll und wessen Leben nicht erhaltenswert ist? Wer sich fortpflanzen soll und wer nicht? Ich bin nicht so weise und daher beschränke ich meine Anmerkungen auf Gebiete, auf denen ich wissenschaftliche Beweise vorlegen kann, die Sie alle akzeptieren können, d. h., ich werde nur über die Wissenschaft sprechen, zu der ich einen Beitrag geleistet habe, der ausreicht, mir einen Platz unter den verehrten Sprechern hier einzubringen. Für den primitiven Menschen war der Himmel, wundervoll, mysteriös und ehrfurchtgebietend. Aber er konnte nicht einmal erahnen, was sich in der goldenen Scheibe, den silbernen Lichtpunkten so weit außerhalb seiner Reichweite verbarg. Das Teleskop, das Spektroskop, das Radioteleskop, all die Werkzeuge und Utensilien der modernen Wissenschaft fungierten als genaue Sonden, um es dem Menschen zu ermöglichen, die inneren Bestandteile und Feinstrukturen dieser Himmelsobjekte zu entdecken, zu analysieren und dadurch besser zu verstehen. Der Mensch ist selbst ein mysteriöses Objekt und die Werkzeuge zur Erforschung seiner physiologischen Natur und Funktion haben sich nur langsam über die Jahrtausende entwickelt. Becquerel, die Curies, die Joliot-Curies mit ihrer Entdeckung der natürlichen und künstlichen Radioaktivität sowie Hevesy, ein Pionier in der Verwendung von Radionukliden zur Erforschung chemischer Vorgänge, waren die wissenschaftlichen Ahnen meiner Karriere. Ich widme mich seit 30 Jahren der Entwicklung radioisotopischer Methoden und ihrem Einsatz zur Analyse der Feinstruktur biologischer Systeme. Von 1950 bis zu seinem frühen Tod 1972 wurde ich bei diesem wissenschaftlichen Abenteuer von Dr. Solomon Berson unterstützt, und zusammen haben wir den Radioimmunassay, ein leistungsstarkes Hilfsmittel zur Bestimmung beinahe jeder Substanz von biologischem Interesse, auf die Welt gebracht und durch die Kinderzeit begleitet. Im Wesentlichen eine Verschmelzung aus Physik und Medizin, aus Arzt und Physiker. Mit dem Ursprung von Radioimmunassay waren wir darauf aus, alles zu messen. Lassen Sie mich Ihnen heute von seiner Geschichte berichten, von seiner Vergangenheit und ein wenig von seinen Möglichkeiten. Der Radioimmunassay wurde nicht gezielt entwickelt, er entstand mehr als Zufallsprodukt unserer Forschungen auf einem nicht unbedingt verwandten Gebiet. Dr. I. Arthur Mirsky postulierte vor etwa 25 Jahren, dass Diabetes beim Erwachsenen, Altersdiabetes, nicht durch eine ungenügende Insulinausschüttung, sondern vielmehr durch einen zu schnellen Abbau des Insulins durch ein Leberenzym, das er für hepatische Insulinase hielt, hervorgerufen wird. Wie kam er darauf? Es war bereits bekannt, dass die Bauchspeicheldrüse des jugendlichen Diabetikers..., dass das Kind mit juvenilem Diabetes so gut wie kein Insulin in seiner Bauchspeicheldrüse hat. Aus Obduktionen war bereits bekannt, dass die Bauchspeicheldrüse von Patienten mit Altersdiabetes in der Regel fast normale, normale und sogar überhöhte Mengen Insulin aufwies. Und dennoch wurde vor 25 Jahren, vor der Zeit der oralen blutzuckersenkenden Mittel, fast jeder Fall von Diabetes mit Insulin behandelt. Wenn die Bauchspeicheldrüse genügend Insulin produzierte, man aber annahm, dass im Blutkreislauf nicht genügend Insulin vorhanden sei, schien die Annahme von Dr. Mirsky, dass Insulin beim Diabetiker ungewöhnlich schnell abgebaut werde, sehr vernünftig zu sein. Zu dieser Zeit arbeiteten Dr. Berson und ich an Projekten zur Erforschung des Austauschs, der Verteilung und dem Verschwinden von Serumproteinen aus dem Plasma. Es schien daher nicht unvernünftig zu sein, dieselbe Art von Untersuchung durchzuführen, um zu bestimmen, wie schnell Insulin im Plasma des Diabetikers im Vergleich zum Plasma des Nicht-Diabetikers abgebaut würde. Wenn die Hypothese von Mirsky korrekt war, wäre zu erwarten, dass Insulin im Plasma eines Diabetikers schneller abgebaut würde als im Plasma eines Nicht-Diabetikers. Wir verabreichten daher Diabetikern und Nicht-Diabetikern markiertes Insulin, mit einem Isotop markiertes Insulin, einem radioaktiven Jod-Isotop, Jod-131, intravenös. Wenn die Mirsky-Hypothese korrekt war, würde das Insulin beim Diabetiker schneller verschwinden. Zu unserer Überraschung stellte sich jedoch heraus, dass bei Diabetikern das radioaktive Insulin aus dem Plasma langsamer verschwand als bei Nicht-Diabetikern, was in den flacheren Kurven unten zu erkennen ist. In der unteren Gruppe waren einige Diabetiker enthalten. Tatsächlich war bei einem Mann, bei dem Diabetes bei seiner ersten Vorstellung gerade diagnostiziert worden war, die Kurve des Verschwindens normal schnell. Nach einer mehrmonatigen Insulintherapie gesellte er sich jedoch zur Gruppe derjenigen, bei denen Insulin langsamer verschwand. Außerdem gab es einen vereinzelten Nicht-Diabetiker, durch die stark gepunktete Linie dargestellt, der ebenfalls eine langsame Verschwinde-Rate aufwies. Und dabei handelte es sich um einen Schizophreniepatienten, der mit einer Insulinschocktherapie behandelt worden war. Die Gruppe mit langsamem Verschwinden unterschied sich also nicht durch eine Diabeteserkrankung per se von der Gruppe mit schnellem Verschwinden, sondern durch eine zuvor erfolgte Insulintherapie. Wir vermuteten deshalb, dass die verzögerte Insulinverschwinde-Rate auf die Bindung des markierten Insulins an Antikörper zurückzuführen sei, die sich als Reaktion auf das Verabreichen von aus Rindern oder Schweinen isoliertem, exogenem Insulin entwickelt hatten. Klassische immunologische Verfahren reichten jedoch zur Entdeckung von Antikörpern nicht aus, von denen wir annahmen, dass ihre Konzentration so gering wäre, dass sie nicht ausgefällt werden könnten. Wir standen jedoch der Annahme gegenüber, dass Insulin nicht antigen sei, sonst wäre seine Antigenität in der 25-jährigen Geschichte der Insulintherapie beobachtet worden. Wir hatten daher das Gefühl, neue hochempfindliche Verfahren zur Erkennung löslicher Antigen-Antikörper-Komplexe entwickeln zu müssen, und diese Verfahren beruhten auf der Verwendung von markiertem Insulin, mit radioaktivem Jod markiertem Insulin. Auf der nächsten Folie sehen Sie einige dieser Verfahren. Das erste von uns eingesetzte Verfahren wurde Elektrophorese genannt. Dieses Verfahren beruht im Wesentlichen auf der Trennung von Proteinen anhand ihrer Ladungsunterschiede und ihrer Reaktion in einem elektrischen Feld. Hier in der Mitte sehen Sie die Elektropherogramme von markiertem Insulin im Plasma eines Patienten, der nie mit Insulin behandelt wurde, was wir unser nicht immunes Plasma nennen. Und im Plasma von Patienten, die mit Insulin behandelt wurden, wir nennen es immunes Plasma. Im Plasma der zuvor nicht mit Insulin behandelten Patienten bindet sich das markierte Insulin an das Papier, während die übrigen Serumproteine wandern. Im Plasma der mit Insulin behandelten Patienten wandert das Insulin jedoch im Ganzen oder in Teilen mit den Serumproteinen, hier zwischen Beta- und Gamma-Globulin dargestellt. Berson und ich hatten es immer sehr eilig, daher entwickelten wir ein neues, sehr einfaches Verfahren, Papierelektrophorese genannt, bei dem wir den Deckel der Elektrophoreseschachtel offen ließen. Wir setzten Chromatographie mit Wasser als Fließmittel ein und konnten so eine Trennung des freien Insulins, das an der Aufbringungsstelle verbleibt, und dem proteingebundenen Insulin, das in etwa 15 Min. anstatt der bei der Standardelektrophorese erforderlichen 16 Std. bzw. über Nacht wandert, herbeiführen. Hier sehen wir Stärkeblockelektrophorese, auch ein System, das nur anhand der Ladung trennt, bei der das freie Insulin beinahe im Bereich von Albumin wandert, und das an das Gammaglobulin gebundene, markierte Insulin bleibt nahe der Aufbringungsstelle. Mithilfe verschiedener solcher Systeme gelang es uns, das allgegenwärtige Vorhandensein insulinbindender Antikörper bei beinahe allen Patienten nachzuweisen, die über einen Zeitraum von mindestens einem Monat mit Insulin behandelt worden waren. Dieses Konzept wurde von den Immunologen Mitte der 1950er nicht akzeptiert. Heidelberger hatte in seinem Buch gerade behauptet, dass Peptide mit einem Molekulargewicht von unter 10.000 nicht antigen sein könnten. Die Originalschriften, in denen diese Ergebnisse beschrieben wurden, wurden von der Wissenschaft und anfänglich vom führenden amerikanischen Journal of Clinical Investigation abgelehnt. Ein Kompromiss mit den Herausgebern führte schließlich zur Annahme der Schrift, aber erst, nachdem wir das Wort "Antikörper" aus der Überschrift gelöscht hatten, da sie unsere Schlussfolgerung, dass das für die Insulinbindung verantwortliche Globulin tatsächlich ein erworbener Antikörper war, nicht akzeptieren konnten. Hier sehen Sie das an die Gammaglobuline gebundene Insulin wandern, während das freie Insulin an der Aufbringungsstelle verbleibt. Beachten Sie, dass wir eine Abnahme des Verhältnisses von antikörpergebundenem zu freiem Insulin erhalten, wenn wir die Insulinkonzentration von unter einer Milli-Einheit Insulin pro Milliliter auf den zehnfachen Wert erhöhen. Im ersten Fall werden etwa 67% gebunden, 64, 57, weniger als die Hälfte und 31% werden gebunden, während der Insulinspiegel auf das Zehnfache steigt. Diese Beobachtung bildete die Basis für den Radioimmunassay von Insulin in Plasma. Dennoch waren jahrelange Untersuchungen und Analysen erforderlich, die auch Studien zu den quantitativen Aspekten der Reaktion zwischen Insulin und Antikörper und der Artenspezifizität des verfügbaren Antiserums umfassten, um die theoretischen Konzepte des Radioimmunassay-Verfahrens vor beinahe 20 Jahren in die praktische Anwendung und in die Bestimmung von Insulin in nicht extrahiertem Plasma zu überführen. Der Radioimmunassay ist im Prinzip einfach. Er zeigt sich in den kompetitiven Reaktionen auf dieser Folie. Die Konzentration an Antigen in der unbekannten Probe wird durch Vergleich ihres Verhaltens beim Unterbinden der Bindung des markierten Antigens an Antikörper mit dem Verhalten bekannter Standardlösungen erreicht. Der Radioimmunassay ist keine, wie von Hevesy ursprünglich beschrieben, Isotopenverdünnungsmethode, da eine identische immunologische Aktivität des nicht markierten Antigens und des markierten Antigens nicht erforderlich ist. Die Gültigkeit des Radioimmunassays hängt nur vom identischen immunologischen Verhalten der unbekannten Proben und der bekannten Standards ab. Die Spezifizität der immunologischen Reaktionen erlaubt jederzeit eine Unterscheidung, zum Beispiel zwischen Corticosteron und Cortisol, zwei Steroiden, die sich nur durch einen einzigen Hydroxylrest unterscheiden. Beim Radioimmunassay ist es nicht erforderlich, dass Standards und unbekannte Proben chemisch identisch sind oder gleiches biologisches Verhalten aufweisen. Wenn man am biologischen Verhalten der vom Radioimmunassay ermittelten Mengen interessiert ist, ist daher ein zusätzlicher Nachweis der Gültigkeit des biologischen Vergleichs erforderlich. Außerdem kann der Radioimmunassay bei einigen Assays sogar von klinischem Nutzen sein, die aufgrund fehlender immunologischer Identität zwischen Standards und der Probe, deren Konzentration bestimmt werden soll, nicht richtig ausgewertet werden können. Der Einsatz des Radioimmunassays zur Bestimmung des Parathormons, dem Hormon, das den Umgang des Körpers mit Kalzium regelt, ist ein typisches Beispiel dafür. Der Radioimmunassay ist eine Reagenzglasmethode. Zur Durchführung eines Radioimmunassays verwenden Sie die ein oder andere Variation folgender Dinge: In einem Reagenzglas mischen wir eine bekannte Menge eines markierten Antigens, eine bekannte Menge eines Antikörpers und in einigen Röhrchen die bekannten Standards und in anderen die unbekannten Proben. Nach einem bestimmten Zeitraum, der Minuten, Stunden oder Tage lang sein kann, stellen wir eine Methode zur Trennung des antikörpergebundenen, markierten Antigens vom freien Antigen zur Verfügung, denn, wie ich zuvor erklärt habe, liegt das antikörpergebundene Antigen nicht..., liegt in Form von löslichen Komplexen vor. Zig Verfahren wurden eingesetzt, um diese Trennung zu bewerkstelligen. Dann erstellen wir eine Standardkurve aus dem Verhältnis des antikörpergebundenen zum freien markierten Antigen als Funktion der Konzentration des nicht markierten Antigens. Dann bestimmen wir die Bindung in Prozent oder das Verhältnis B zu F im unbekannten Röhrchen und bestimmen anhand dieser Kalibrationskurve direkt die Konzentration des nicht markierten Antigens. Wie Sie hier sehen ist die Empfindlichkeit des Radioimmunassays ziemlich bemerkenswert. Die geringe Menge von einem Zehntel Pikogramm pro Milliliter oder 5 mal 10 hoch minus 14 Molar Gastrin kann jederzeit bestimmt werden. Das Prinzip des Radioimmunassays beschränkt sich nicht auf immunrelevante Substanzen, sondern kann auch auf andere Systeme übertragen werden, wobei der spezifische Antikörper dann durch einen spezifischen Reaktionspartner ersetzt wird. Bei dem spezifischen Reaktionspartner kann es sich um jede Substanz handeln, die Bindungen eingeht. Dies kann ein bindendes Protein im Plasma, ein Enzym oder eine Empfängerregion des Gewebes sein. Es ist außerdem nicht erforderlich, ein radioaktives Atom als Marker zu verwenden. Kürzlich entstand beachtliches Interesse daran, als Marker Enzyme zu verwenden, die kovalent an das Antigen binden. Auch wenn viele Varianten kompetitiver Assays, die allgemeinere Bezeichnung für Radioimmunassays, beschrieben wurden, ist der Radioimmunassay doch das Verfahren der Wahl geblieben und wird es vermutlich auch weiterhin bleiben, zumindest bei den Assays, die eine hohe Empfindlichkeit verlangen. Die Assays für Peptidhormone, bei denen Empfängerregionen verwendet werden, haben den Vorteil, die biologische Aktivität bestimmen zu können, sind aber mindesten zehn bis hundert Mal weniger empfindlich als der Radioimmunassay. Assays mit Enzymmarkern, die in den letzten paar Jahren ziemlich intensiv verwendet wurden, haben einige Nachteile. Der wichtigste ist, dass die durch die Antigen-Antikörper-Reaktion verursachte sterische Hemmung aufgrund des Vorhandenseins des Enzymmoleküls beinahe unausweichlich die Empfindlichkeit des Assays herabsetzt. Vor zwei Jahrzehnten, als Bioassay-Verfahren auf dem Vormarsch waren, fand die erste Vorstellung des Potenzials hormoneller Messverfahren durch Radioimmunassays beinahe keine Beachtung. Etwas mehr Interesse erweckte 1959 unsere Demonstration der praktischen Anwendung des Radioimmunassays zur Bestimmung von Plasma-Insulin im Menschen. Nichtsdestotrotz war die Wachstumsrate von Radioimmunassays in den frühen 60ern recht langsam. Nur hin und wieder findet sich ein nicht von unserem Labor stammender Artikel in den führenden amerikanischen Zeitschriften. Wir beschrieben den Radioimmunassay nicht nur, in den frühen 60ern führten wir auch 3 Jahre lang Schulungen in unserem Labor durch, in denen wir mit über 100 amerikanischen Forschern die Verwendung des Verfahrens übten. Und wie Sie sehen können, startete das Verfahren am Ende dieses Schulungszeitraums durch und es fand tatsächlich ein exponentielles, ein kontinuierliches exponentielles Wachstum des Einsatzes von Radioimmunassays statt. Wie die meisten Wissenschaftler ließen wir unsere Entdeckungen nicht patentieren. Ende der 1960er wurde der Radioimmunassay zu einem wichtigen Hilfsmittel in Labors, die sich mit der Hormonforschung befassen, und seit kürzerer Zeit wird er nicht mehr nur in Forschungslabors, sondern auch in der Nuklearmedizin und in klinischen Labors eingesetzt. Laut einer Schätzung führten 1975 allein in den Vereinigten Staaten über 4.000 freie klinische und Krankenhauslabors alle möglichen Arten von Radioimmunassays durch. Beinahe doppelt so viele wie ein oder zwei Jahre zuvor. Und die Anstiegsrate scheint in den letzten zwei oder drei Jahren nicht nachgelassen zu haben. Die technische Einfachheit von Radioimmunassays und die Problemlosigkeit, mit der die Reagenzien erhältlich sind, gestatteten sogar in den wissenschaftlich unterentwickelten Staaten einen weit verbreiteten Einsatz. Tatsächlich würde ich sagen, das derzeitige Problem mit dem Radioimmunassay ist die zu häufige Verwendung, wie das bei so vielen Hilfsmitteln der Fall ist, die uns die moderne Medizin zur Verfügung gestellt hat. Die explosive Verbreitung des Radioimmunassays leitet sich aus seiner generellen Einsetzbarkeit in vielen verschiedenen Bereichen, der biomedizinischen Forschung und in klinischen Diagnosen ab. Eine repräsentative, unleserliche und unvollständige Liste der mit dem Radioimmunassay gemessenen Substanzen sehen Sie hier. Diese Folie soll mehr beeindrucken als gelesen werden, daher gehe ich zur nächsten Folie, die nur die gezeigten Substanzen aufführt. Links sind die Peptidhormone aufgeführt, in der Mitte die Nicht-Peptidhormone und rechts die nicht hormonellen Substanzen, die mithilfe von Radioimmunassays quantitativ bestimmt wurden. Und zuerst möchte ich einige sehr typische Verwendungsmöglichkeiten erläutern, anhand derer sich erkennen lässt, wie wir mit Radioimmunassays neue Einsichten in die Physiologie und Pathophysiologie gewonnen haben. Am Anfang meines Vortrags habe ich schon erwähnt, dass man in den 1950ern davon ausging, dass alle Formen des Diabetes durch einen absoluten Mangel an Insulin hervorgerufen würden. Das war der Grund für die Mirsky-Hypothese, dass er aufgrund eines unzulänglichen Pankreas und der Vorstellung, dass nicht genügend Insulin zirkulierte, dachte, Insulin würde ungewöhnlich schnell abgebaut. Tatsächlich war die erste mit dem Radioimmunassay gewonnene Erkenntnis die, dass Patienten mit Altersdiabetes keinen absoluten Insulinmangel aufwiesen, sondern dass ihre Insulinspiegel in der Regel höher waren als die von Nicht-Diabetikern, da bei Diabetes etwas vor sich geht, das den Körper daran hindert, Insulin richtig zu verwenden. Die erste Entdeckung mit dem Radioimmunassay war die Erkenntnis, dass beim Diabetes des Erwachsenen der erhöhte Blutzucker nicht auf einen absoluten Mangel an Insulin zurückzuführen war, sondern auf etwas, das im Krankheitsstadium dafür sorgt, dass der Diabetiker sein Insulin nicht so effektiv einsetzen kann wie der Nicht-Diabetiker. Die zweite Entdeckung in Bezug auf den Radioimmunassay war seine Fähigkeit, eines der Hypophysenhormone, das Wachstumshormon, quantitativ zu bestimmen. Das Hormon also, das für das Wachstum kleinwüchsiger Kinder verantwortlich ist. Wenn diese Kinder rechtzeitig mit dem Wachstumshormon behandelt werden, können sie beinahe normales Wachstum erreichen. Ist Kleinwüchsigkeit bei Kindern immer auf fehlendes Wachstumshormon zurückzuführen? Die Antwort ist: Nein. Es gibt viele andere Ursachen für die Kleinwüchsigkeit mancher Kinder: Mangelernährung, eine genetische Konstitution, sogar ein Mangel an Fürsorge kann bei manchen kleinwüchsigen Kindern das Wachstum verhindern. Wir haben zurzeit keine Möglichkeit, menschliches Wachstumshormon zu gewinnen, außer als Autopsiematerial vom Menschen. Vielleicht gelingt eines Tages die Gewinnung durch E. coli, aber zurzeit ist Autopsiematerial unsere einzige Quelle, wir können kleinwüchsige Menschenkinder nicht mit in Tieren herangezüchteten Wachstumshormonen behandeln. Die Bedeutung von Radioimmunassays liegt darin, dass sie uns Wege zur Verfügung stellen zu bestimmen, welche kleinen Kinder aufgrund eines Mangels an Wachstumshormon klein sind und welche kleinen Kinder aus anderen Gründen klein sind. Und warum ist diese Unterscheidung so wichtig? Weil wir nur genügend Wachstumshormon haben, um weniger als die Hälfte der Kinder zu behandeln, die es wirklich brauchen. Und wenn wir es durch Behandlung von Kindern verschwenden, die es nicht brauchen, hätten wir nicht genug, um die zu behandeln, die es brauchen. Die zweite Rolle für Radioimmunassays: Mit Radioimmunassays sind wir in der Lage, die Hormone zu messen, die den Kalziumstoffwechsel steuern, die kalzitropen Hormone. Und wir haben etwas über den sekundären Hyperparathyroidismus erfahren, der Knochenerkrankung bei Patienten mit Niereninsuffizienz. Wir sind in der Lage, Kalzium sezernierende Tumoren zu diagnostizieren, überschüssiges Parathormon aus Tumoren der Nebenschilddrüse usw. Mit Assays für die Gonadotropine haben wir sehr viele neue Erkenntnisse zu Sterilität und Fruchtbarkeit gewonnen. Die für mich vielleicht aufregendste neue Entwicklung von Radioimmunassays stammt nicht aus meinem eigenen Labor, denn ich arbeite für ein Veteranenhospital und unsere Patienten sind größtenteils erwachsene Männer. Sondern es ist der Einsatz von Radioimmunassays für die Untersuchung Neugeborener auf Hypothyreose (Schilddrüsenunterfunktion). Seit einigen Jahren haben wir uns in unserem Land daran gewöhnt, Neugeborene auf Phenylketonurie zu untersuchen, auf die Unfähigkeit, Phenylalanin richtig zu verstoffwechseln. Wenn diese Kinder in ihrem ersten Lebensjahr nicht mit einer speziellen Diät ernährt werden, entwickeln sie irreversible geistige Schäden, daher gibt es in unserem Land ein Untersuchungsprogramm in 48 von 50 Staaten. Dank der Entwicklung von Radioimmunassays sind wir in der Lage, den Schilddrüsenhormonspiegel bei Neugeborenen anhand eines Tropfen Blutes auf Filterpapier zu messen. Phenylketonurie kommt in Nordeuropa und den Vereinigten Staaten bei einer von 25.000 Geburten vor und die Behandlung ist in der Tat sehr schwierig. Schilddrüsenunterfunktion beim Neugeborenen, eine inaktive Schilddrüse beim Neugeborenen, kommt bei ungefähr einer von 5.000, einer von 8.000 Geburten vor. Eine drei bis fünf Mal größere Inzidenz. Wird sie nicht bis zum Alter von 3 Monaten erkannt, sind geistige Störungen unvermeidbar, eine Senkung des IQ, des Intelligenzquotienten, um mehr als 30 bis 40% im Vergleich zu den Geschwistern. Die Kosten der Behandlung liegen bei einem Dollar pro Jahr und in vielen Bundesstaaten wird eine Untersuchung von Neugeborenen auf neonatale Hypothyreose verlangt. Und damit ist ein Ende absehbar, dass es bei einer von 5.000 Geburten zu dieser schrecklichen Tragödie für die Familie, für das Kind und für die Gemeinschaft kommt. Kürzlich kam ich aus Indien zurück, wo ich feststellen musste, dass Infektionskrankheiten in Indien die zweithäufigste Todesursache bilden. Im Gegensatz dazu belegen sie in Europa und den Vereinigten Staaten Rang 15 bei den Todesursachen. Radioimmunassays werden bei der frühzeitigen Erkennung von Krankheitsüberträgern eine wichtige Rolle spielen. Vor etwa 8 Jahren beschrieben wir in unserem Labor die erste Anwendung eines Radioimmunassays bei einem viralen Antigen, der Messung des Hepatitis-B-Antigens und des Antikörpers, mithilfe von radioisotopischen Verfahren, mithilfe eines Radioimmunassays. Er ist jetzt in unserem Land erste Wahl, wenn es um die Erkennung von Blut geht, das mit dem Hepatitis-B-Antigen infiziert wurde. Vor Kurzem haben wir in unserem Labor die Anwendung von Radioimmunassays zur quantitativen Bestimmung von gereinigtem Proteinderivat (PPD) beschrieben. Das ist ein Protein, das aus den Zellwänden von Mycobacterium tuberculosis gewonnen wird. Wir haben diese Möglichkeit der Erkennung des Antigens in Fällen von Miliartuberkulose beschrieben, wir hoffen, sie auch bei anderen sehr schweren Problemherden wie tuberkulöser Meningitis anwenden zu können, wo eine frühe Diagnose äußerst wichtig ist, um rechtzeitig mit der Behandlung beginnen zu können, und wo die herkömmlichen Verfahren mit biologischen Kulturen bis zu sechs Wochen oder so in Anspruch nehmen, bevor eine Diagnose gestellt werden kann. Das ist in den Staaten vielleicht nicht so aufregend. In Indien, wo die differenzielle Diagnose eines Gehirnscans nicht zur Unterscheidung zwischen Schlaganfall und Tumor, sondern zwischen Schlaganfall und tuberkulösen Granulomen eingesetzt wird, ist das in der Tat ein sehr wichtiges Problem. Ich kann mir weitere Anwendungsmöglichkeiten vorstellen, z. B. im Fall von Lepra. Eine Krankheit mit einer sehr langen Inkubationszeit, die rechtzeitig behandelt werden könnte, wenn wir die Überträger identifizieren könnten. Ich glaube, dass Radioimmunassays in den 1980ern ein ebenso weites Einsatzfeld bei der Erforschung von Infektionskrankheiten finden werden, wie auch bei der Rolle, die sie in den 60ern bei Forschungen in der Endokrinologie spielten. Anstatt mit dieser sehr allgemeinen Beschreibung fortzufahren, würde ich lieber ein paar bestimmte Beispiele für Radioimmunassays vorstellen, um zu zeigen, wie sie eingesetzt werden können und sollten. In der klinischen Diagnose erfordert eine geeignete Interpretation der Plasmahormonspiegel, insbesondere der Peptidhormonkonzentrationen, ein klares Verständnis der an der Regulation der Hormonsekretion beteiligten Faktoren. Eine solche Sekretion wird in der Regel durch irgendein Abweichen vom Zustand der biologischen Homöostaste ausgelöst, den das Hormon modulieren soll. Ein repräsentatives Modell für ein solches System wird auf dieser Folie dargestellt. Die Regulation erfolgt durch Rückkoppelungsmechanismen, an deren einem Ende das Hormon steht und an deren anderem Ende die Substanz, die es reguliert. Gastrin ist ein Hormon, das in den Magen abgegeben wird und die Magensäure steuert. Gastrinsekretion erhöht den Magensäuregehalt, der dann wiederum die Sekretion von antralem Gastrin unterbindet. Eine Modulation dieses Systems kann über eine Reihe von Faktoren erfolgen, der wichtigste davon ist vermutlich die Nahrungsaufnahme. Nahrungsaufnahme fördert direkt die Freisetzung von Gastrin durch ihre chemische Einwirkung auf das Antrum, durch Dehnung des Magens oder durch die Pufferwirkung der Nahrung, die den Magensäuregehalt herabsetzt, und durch diesen Mechanismus die Freisetzung von Gastrin bewirkt. Die normale Nüchtern-Gastrinkonzentration liegt bei den meisten Magengeschwürpatienten und normalen Patienten bei unter einem Zehntel Nanogramm pro Milliliter. Hier sehen Sie drei verschiedene klinische Zustände, die ich gleich erläutern werde, in denen das Gastrin abnorm erhöht ist. Die erste Gruppe ist eine Gruppe von Patienten mit perniziöser Anämie. Diese Patienten, die bei Nichtbehandlung eine tödliche Form der Anämie entwickeln, der Unfähigkeit, Blut zu bilden, sind Patienten, deren Mägen eine auffällige Untersäuerung aufweisen. Da Magensäure normalerweise die Gastrinsekretion unterbindet, führt das fortwährende Fehlen von Säure und die wiederholte Stimulation durch Nahrungsaufnahme schließlich zu einer sekundären Hyperplasie der Gastrin produzierenden Zellen. Der hohe Gastrinspiegel wird bei diesen Patienten aufgrund des Fehlens der inhibitorischen Wirkung der Salzsäure auf die Sekretion des antralen Gastrins als überaus stimmig angesehen. Die zweite Gruppe ist eine Gruppe, wir nennen sie Zollinger-Ellison-Syndrom, die im Wesentlichen aus Patienten mit einem Tumor besteht, der Gastrin absondert. Bei dem Tumor handelt es sich häufig um einen malignen Tumor, einer Form von Krebs, und in diesem Fall wird die Sekretion von Gastrin aus dem Tumor nicht in geeigneter Weise reguliert. Die Patienten leiden unter starker Übersäuerung, entwickeln aufgrund der starken Übersäuerung Geschwüre im Zwölffingerdarm. Wichtig ist hierbei, zwischen den Patienten mit Gastrin sezernierenden Tumoren und Patienten mit aufgrund der Untersäuerung erhöhtem Gastrin unterscheiden zu können. Daher ist es einsichtig, dass wir beides messen müssen, das Hormon und auch den Säuregehalt. Beim Einsatz von Radioimmunassays reicht es im Falle des Peptidhormons nicht aus, nur die Peptidhormonkonzentration an sich zu messen. Wir müssen das Hormon und das Substrat messen, das durch das Hormon reguliert werden soll. Interessant dabei ist, dass eine starke Übersäuerung nicht nur durch eine bösartige Erkrankung wie einen Gastrin sezernierenden Tumor, sondern auch einfach durch eine Hyperaktivität des Antrums hervorgerufen werden kann, durch Hyperaktivität der Gastrin sezernierenden Zellen des Magens. Wie unterscheiden wir also zwischen Patienten mit starker Übersäuerung und solchen mit einer überschießenden Gastrinsekretion? Gewiss, die Behandlung eines Tumors unterscheidet sich vermutlich sehr von der Behandlung einer einfachen Hyperaktivität der Gastrin sezernierenden Zellen. Mit Radioimmunassays können wir dynamische Untersuchungen durchführen. Bevor Radioimmunassays verfügbar waren, benötigte man eine Tasse Blut, um den Insulinspiegel im Blut bestimmen zu können, mit Radioimmunassays können wir dieselbe Bestimmung durch einen Fingerstich durchführen. Folglich können wir jetzt dynamische Untersuchungen durchführen, wir können fünf, zehn, 20 aufeinanderfolgende Radioimmunassays durchführen, um die Veränderung der Konzentration in Plasma einer bestimmten Substanz zu bestimmen. Auf dieser Folie sehen Sie, wie wir Patienten mit einer Gastrin-Hypersekretion aufgrund eines Tumors, wie links gezeigt, von solchen unterscheiden, deren Hypersekretion durch eine Hyperaktivität der antralen Gastrin sezernierenden Zellen, wie rechts gezeigt, verursacht wird. Patienten mit einer Hyperaktivität des Magen-Darm-Trakts reagieren dramatisch auf die Zufuhr von Nahrung, aber nicht auf andere Sekretagoga wie Kalzium oder Sekretin, denn sie leiden unter einer Überaktivität der Gastrin sezernierenden Zellen, die auf Nahrungszufuhr reagieren. Patienten mit einem Tumor reagieren nicht auf Nahrungszufuhr, hier unten, im Gegensatz zu hier oben, wohingegen sie auf andere Sekretagoga reagieren. So sind wir also mit einer entsprechenden Wahl des Sekretagogums in der Lage, diagnostisch zwischen zwei Gruppen zu differenzieren, die einander klinisch ähneln. Beide weisen hohe Gastrinspiegel auf, beide weisen eine hohe Magensäurekonzentration auf, aber mit den entsprechenden stimulierenden Tests können wir diese Unterscheidung treffen. Bei der Anwendung von Radioimmunassays auf Hypo- oder Hypersekretionsprobleme verlassen wir uns daher selten auf die Bestimmung eines einzigen Plasmahormons. Um auf Insuffizienzen zu testen messen wir generell nicht nur die Konzentrationen im Grundzustand, sondern auch als Reaktion auf die Verabreichung entsprechender physiologischer oder pharmakologischer Stimuli. Bei Verdacht auf Hypersekretion verwenden wir manchmal auch Suppressionstests. Solche Untersuchungen sind in der Endokrinologie mittlerweile weit verbreitet und wären ohne Radioimmunassays nicht möglich. Die Erforschung der Peptidhormone wurde durch eine Änderung unseres Konzepts von der chemischen Beschaffenheit der Peptidhormone weiter erschwert. Wir wissen jetzt, dass Peptidhormone in mehr als einer Form im Plasma vorkommen, auch in den Drüsen oder Geweben, aus denen sie stammen. Diese Formen können biologische Aktivität haben, müssen es aber nicht, und können entweder Vorstufen oder Stoffwechselprodukte der gut bekannten, gut beschriebenen, biologisch aktiven Hormone repräsentieren. Ihr Vorhandensein hat die Interpretation der mit Radioimmunassays oder auch mit Bioassays gemessenen hormonellen Konzentrationen sicherlich verkompliziert. Ein typisches Beispiel einer Forschungsarbeit auf diesem Gebiet ist das derzeitige Interesse an der Heterogenität von Gastrin. Es wurden mehrere analytische Methoden eingesetzt, um die Beschaffenheit des Gastrins im Plasma aufzuklären. Die hier dargestellte Technik wird Sephadex-Gelfiltration genannt und sie trennt die Moleküle auf Basis ihres Molekülradius, im Wesentlichen nach Molekülgewicht und Konfiguration des Moleküls. Dies geschieht in einer Säule, bei uns etwa einen halben Meter lang. Wir haben Markermoleküle zur Kennzeichnung des Porenvolumens und Markermoleküle zur Kennzeichnung des Salz-Peaks. Wenn wir Gastrin hinzufügen, das Heptadekapeptid Gastrin, das aus dem Antrum entnommene und gereinigte Gastrin ist ein aus 17 Aminosäuren bestehendes Peptid. Wir fügen dies dem Plasma hinzu und wir stellen fest, dass das Gastrin nach dem Insulin mit einem Molekulargewicht von 6.000 eluiert wir, Proinsulin wiegt 9.000. Untersuchen wir die Beschaffenheit von Gastrin in Plasma stellen wir fest, dass es zwischen dem Insulin und dem Proinsulin eluiert wird. Es verhält sich chemisch klar anders als das Gastrin, das aus dem Antrum gewonnen wurde. Wir können diese Trennung mithilfe anderer physikalisch-chemischer Methoden herbeiführen, Sie können das so lassen. Die Anode steigt an, das Material wird hier am Ursprung aufgebracht, wir stellen fest, dass sich das Gastrin im Plasma in Bezug auf die Ladung auch von dem aus 17 Aminosäuren bestehenden Peptid unterscheidet, das aus dem Antrum isoliert wurde. Diese neue Form des Gastrins haben wir Big-Gastrin genannt. Und wieder stimmt die Reihenfolge nicht. Hier erkennen wir das Big-Gastrin, das zwischen dem Porenvolumen und dem Insulin ausgespült wird. Wenn wir jetzt tryptischen Verdau anwenden, können wird das Big-Gastrin in das Heptadekapeptid-Gastrin umwandeln. Wir haben daraus geschlossen, dass das Big-Gastrin eine Vorstufe des aus 17 Aminosäuren bestehenden Peptids ist und durch einen Lysin- oder Argininrest mit dem 17-Aminosäuren-Peptid verbunden war. Bald darauf konnten Gregory und Tracy zeigen, dass das aus 17 Aminosäuren bestehende Heptadekapeptid-Gastrin im Big-Gastrin durch zwei Lysinreste eingebunden war. Unsere auf der quantitativen Bestimmung der Piko- oder Nanogramm-Mengen des immunreaktiven Gastrins bei gleichzeitigem Vorhandensein millionenfach höherer Konzentrationen anderer Proteine beruhende Annahme wurde durch die Arbeit von Gregory und Tracy gerechtfertigt, die dieses Material aufreinigten und chemisch beschrieben. Anders als bei Proinsulin, das so gut wie keine biologische Aktivität aufweist, führt die In-vivo-Verabreichung immunchemisch äquivalenter Mengen von Big-Gastrin und Heptadekapeptid-Gastrin zu der gleichen physiologischen Antwort, der gleichen Ausschüttung von Säure bei einem Hund. Auf dieser Grundlage würden wir sagen, dass Big-Gastrin und Heptadekapeptid-Gastrin die gleiche biologische Aktivität aufweisen. Man verabreicht dieselbe Menge, man erhält dieselbe biologische Antwort. So definiert, in der klassischen physiologischen Beschreibung, haben Big- und Heptadekapeptid-Gastrin dieselbe biologische Aktivität. Dennoch ist die Umsetzungszeit für Big-Gastrin fünf Mal so lang wie die für Heptadekapeptid-Gastrin. Bei intravenöser Verabreichung verschwindet es also langsamer, daher liegt die Plasmakonzentration von Big-Gastrin unter den Bedingungen einer kontinuierlichen Infusion fünf Mal über der des Heptadekapeptid-Gastrins. Wenn wir daher biologische Reaktivität nicht als biologische Antwort auf eine bestimmte verabreichte Dosis definieren, sondern als Plasmaspiegel gegenüber biologischer Antwort, dann würden wir unter diesen Bedingungen sagen, dass Big-Gastrin nur ein Fünftel der biologischen Aktivität des Heptadekapeptid-Gastrins aufweist. Das Konzept der Heterogenität hat deshalb nicht nur zu Komplikationen bei Immunassays geführt, sondern auch bei der Definition von Dingen in Bezug auf Bioassays. Im Moment, ein Jahrzehnt nachdem das Konzept der Heterogenität entwickelt wurde und trotz einer enormen Menge beschreibender Daten auf diesem Gebiet, wissen wir immer noch nicht sehr viel über die Regeln oder Gründe für dieses Syntheseschema aus Vorstufe und Produkt. Sind die Synthese der Peptidhormone und die Art, in der sie mit einem anderen Peptid verbunden sind, nur für die Synthesemethode wesentlich? Welche Enzyme sind am Umwandlungsprozess beteiligt? Zehn Jahre später wissen wir immer noch nicht, ob die Umwandlungsenzyme hormonspezifisch oder artenspezifisch sind. Es gibt immer noch Diskussionen darüber, ob die Umwandlung nur im sezernierenden Gewebe erfolgt, oder ob es eine periphere Überführung von der inaktiven in die aktive Form gibt. Welche Rolle spielt der Teil des Vorstufenmoleküls, der nach der Biosynthese abgespalten wird? Wird er tatsächlich weggeworfen? Es gibt mittlerweile Hinweise, die vermuten lassen, dass ACTH, Lipotropin und andere Teil desselben Moleküls sind, und dass jeder Teil eine andere physiologische Funktion hat. Die Antworten auf diese und verwandte Fragen zu finden, wird viele von uns für eine ganze Weile beschäftigen. In den letzten paar Minuten würde ich mit Ihnen gerne eine für mich sehr neue und spannende Entwicklung diskutieren, bei der ebenfalls Radioimmunassays zum Einsatz kommen. Die Entdeckung von Vanderhaeghen et al. eines neuen Peptids im Zentralnervensystem von Wirbeltieren, das mit Antikörpern gegen Gastrin reagiert, wurde von Dockray bestätigt, der vorschlug, dass das Gehirnpeptid eine größere Ähnlichkeit mit Cholecystokinin-ähnlichen Peptiden aufweist als mit Gastrin-ähnlichen. Seine Untersuchungen basierten nur auf den Unterschieden in der Immunreaktivität unterschiedlicher Antiseren. Wir weiteten diese Untersuchungen aus und zeigten, dass es sich bei dem Peptid im Gehirn nicht um Gastrin handelte, nicht einfach um ein Cholecystokinin-ähnliches Peptid, sondern tatsächlich um intaktes Cholecystokinin und sein C-terminales Oktapeptid. Ein Darmhormon wird plötzlich im Gehirn entdeckt. Diese Beobachtungen hingen von der Verwendung zweier Antiseren mit unterschiedlicher immunchemischer Spezifität ab. Eines wurde durch Immunisierung einer Ziege mit Schweine-Cholecystokinin gewonnen, der einzigen Spezies, aus der Cholecystokinin isoliert worden ist, und es reagiert mit keinem der anderen Darmhormone, darunter Gastrin oder sogar das Oktapeptid, das C-terminale Oktapeptid des Cholecystokinins. Also reagiert es mit Aminosäuren im N-terminalen Teil des Moleküls. Ein zweites Antiserum wurde durch Immunisierung mit den vier terminalen Aminosäuren des Gastrins gewonnen. Gastrin und Cholecystokinin weisen die gleichen fünf C-terminalen Aminosäuren auf. Und wir erkennen, dass die Peptide, Cholecystokinin, sein Oktapeptid, Gastrin, das 39-Aminosäuren-Cholecystokinin, sich in diesem System alle ungefähr gleich verhalten. Unter Verwendung dieses Antiserums beobachten wir, dass in allen untersuchten Tierarten der immunreaktive Teil des Cholecystokinins im Darm und im Gehirn ungefähr vergleichbar ist. Sodass es tatsächlich, wenn wir den Menschen mit seinem großen Gehirn berücksichtigen, mehr Darmpeptid im Gehirn als im Darm gibt. Eine sehr interessante Beobachtung. Beachten Sie außerdem, dass die Konzentrationen zwischen den unterschiedlichen Spezies sehr konstant sind, innerhalb eines Bereichs des Fünf- oder Sechsfachen. Auch nach dem tryptischen Verdau, bei dem, wie Sie wissen, Lysin in Argininreste heruntergebrochen wird, gibt es beinahe keine Veränderung der Immunreaktivität, weil das Cholecystokinin-Oktapeptid keine Lysin- oder Argininreste enthält und daher kein Kandidat für Trypsin ist. In der nächsten Folie sehen wir die Elutionsprofile der Sephadex-Gelfiltration. Gelb dargestellt ist das intakte Cholecystokinin, weiß dargestellt das Oktapeptid, etwa halb und halb vor dem tryptischen Verdau, nach dem tryptischen Verdau alles zum Oktapeptid umgewandelt, jedoch ohne Verlust von Immunreaktivität. Und im Wesentlichen entspricht das Cholecystokinin im Darm des Schweins dem im zerebralen Kortex. Im Darm des Hundes, vergleichbar mit dem im zerebralen Kortex. Im Darm des Affen, vergleichbar mit dem im zerebralen Kortex. In den gleichen Affen- und Hundextrakten, in denen das Cholecystokinin-ähnliche Material in ungefähr derselben Konzentration wie in den Schweineextrakten vorhanden war, fanden wir es nicht in den Gehirn- und Darmextrakten anderer Spezies, wenn wir das N-terminale Antiserum verwenden. Anders ausgedrückt fanden wir Immunreaktivität mit einem gegen den C-terminalen Teil des Moleküls gerichteten Antiserum, nicht jedoch mit einem Antiserum, das gegen den N-terminalen Teil des Schweine-Cholecystokinins gerichtet war. Wir sagen daher auf Basis von Radioimmunassays voraus, dass es zwischen dem Cholecystokinin von Schweinen und dem Cholecystokinin anderer Spezies wesentliche Unterschiede im aminoterminalen Teil des Moleküls gibt. Da dieser Teil des Moleküls nicht direkt an seiner biologischen Aktion beteiligt ist, überrascht es nicht, dass sich die Aminosäuresequenzen in diesem Bereich im Verlaufe der Evolution auseinanderentwickelt haben. Tatsächlich hat das C-terminale Oktapeptid etwa die zehnfache biologische Aktivität von intaktem Cholecystokinin. Wir freuen uns darüber, dass unsere Behauptung Viktor Mutt dazu angeregt hat, die anderen tierischen Cholecystokinine zu isolieren und chemisch zu bestimmen, und wir freuen uns auf seine Ergebnisse. Wo im Gehirn kommt Cholecystokinin vor? Seine Konzentration ist am höchsten im zerebralen Kortex. Immunhistochemische Untersuchungen legen, wie hier gezeigt, nahe, dass sich das Hormon anscheinend in den kortikalen Neuronen konzentriert. Die Entdeckung von Peptiden, die dem Cholecystokinin und seinem Oktapeptid ähneln, im Zentralnervensystem wirft interessante Fragen bezüglich ihrer physiologischen Funktion auf. Insbesondere in Bezug auf ihre möglichen Rollen als Sättigungsfaktoren. Die Beobachtungen von Gibbs et al., dass eine Injektion mit gereinigtem Cholecystokinin oder dem Oktapeptid ein Sättigungsgefühl hervorrief, obwohl das bei anderen Darmhormonen nicht der Fall war, lässt einen negativen Feedback-Mechanismus aus dem Magen-Darm-Trakt als auslösenden Mechanismus vermuten. Die Entdeckung, dass Cholecystokinin-Peptide endogene Substanzen des Gehirns zu sein scheinen, lässt vermuten, dass sie eine direktere Rolle als Neuroregulatoren spielen. Und tatsächlich untersuchen wir gerade die Änderungen hinsichtlich Zusammensetzung und Konfiguration des Cholecystokinins bei fettleibigen Tieren im Vergleich zu normalgewichtigen oder Hunger leidenden Tieren. Wie geht es mit Radioimmunassays weiter? Ich fürchte, ich bin nicht die beste Person, um die Zukunft von Radioimmunassays vorauszusagen. Ich habe bis jetzt Hunderte von Anwendungsmöglichkeiten gesehen, ich habe die Belebung ganzer neuer Bereiche in der Medizin gesehen. Genau wie Sie freue ich mich auf die weitere Entwicklung des Radioimmunassays. Vielen Dank.

Rosalyn Yalow elaborates on her early work on type 2 diabetes that led to the development of radioimmunoassay.
(00:02:50 - 00:06:17)

The complete video is available here.

 

1980 - 2008: Women Who Changed the World of Medicine

The next several decades saw a handful of female Laureates in the fields of physiology or medicine recognised for their work.

Barbara McClintock was granted an unshared Nobel Prize in 1983 for her discovery of mobile genetic elements in plants that predated the knowledge of DNA’s double helix structure [18]. She found evidence of transposable elements, or DNA sequences that can change their position within a genome, in maize [19]. However, her work was largely dismissed and ignored for thirty years, since it was assumed that genes were fixed in their position within a chromosome. When transposable elements were found in bacteria, her work was finally recognised as being correct all along.

Three years later, the Nobel Committee honoured Stanley Cohen and Rita Levi-Montalcini for their work on growth factors, or substances that regulate cell and organ growth [20]. She knew early on that a conventional life wasn’t for her, as she described in her 1988 autobiography: “My experience in childhood and adolescence of the subordinate role played by the female in a society run entirely by men, had convinced me that I was not cut out to be a wife.” [21] Her dream of attending medical school was discouraged by her father, who believed medicine was a course of study “unsuitable for a woman.”

Levi-Montalcini not only graduated summa cum laude from the Turin School of Medicine in 1936, but she also performed neurogenesis research in the lab of renowned Italian histologist Giuseppe Levi. This early work influenced her Nobel Prize-worthy discovery of nerve growth factor (NGF) in 1950, which promotes the growth and survival of mammalian nerve cells.

Her Lindau lecture in 1993, titled “The Magna Carta of Duties,” discussed how scientists have a duty to promote the survival of mankind and the preservation of the environment.

Rita Levi-Montalcinei held her Lindau lecture in 1993 on the topic “The Magna Carta of Duties”. There she discussed how scientists have a duty to promote the survival of mankind and the preservation of the environment.
(00:00:20 - 00:05:02)

The complete video is available here.

The 1988 Nobel Prize in Physiology or Medicine focused on the innovations around drug treatment for debilitating conditions like leukaemia, gout, and hypertension [22]. Gertrude Elion shared the award with two male scientists, Sir James W. Black and her collaborator George H. Hitchings. Elion and Hitchings demonstrated differences in nucleic acid metabolism among normal cells, cancer cells, protozoa, bacteria, and viruses. Called rational drug design, they exploited these differences to develop new drugs instead of relying on trial and error. The drugs created by the team helped treat leukaemia, malaria, lupus, hepatitis, and gout.

The following clip of Elion’s 1996 Lindau talk introduces her pioneering research on azidothymidine, known as AZT, for the treatment of patients infected with the human immunodeficiency virus (HIV). AZT was the first effective treatment for HIV/AIDS, and she foreshadows how a combination therapy that includes AZT could manage the condition. One week after this lecture, the first such combination therapy — which helped turn HIV/AIDS into a chronic disease instead of a fatal one — was introduced at the International AIDS conference in Vancouver.

Gertrude Elion’s 1996 Lindau talk introduces her pioneering research on azidothymidine, known as AZT, for the treatment of patients infected with the human immunodeficiency virus (HIV).
(00:26:35 - 00:30:07)

The complete video is available here.

Christiane Nüsslein-Volhard received the Nobel Prize in 1995, along with two male colleagues, for her work on the genetic control of early embryonic development. They studied the humble fruit fly, Drosophila melanogaster, which goes from egg to fully grown in only 9 days. Nüsslein-Volhard and Eric Wieschaus wanted to find the genes that govern this process. They randomly mutated approximately half of the egg’s genes and observed what happened to its adult body. After more than a year of gruelling experimentation, the two biologists identified 15 different genes that affected how Drosophila embryos developed [23].

She has attended five Lindau Nobel Meetings in total, with the most recent being in 2010. What follows is a clip of Nüsslein-Volhard from that meeting speaking to young scientists in a more intimate classroom forum about the genetic basis of morphological evolution. She introduces her recent research on the striped pigmentation pattern of the adult zebrafish, and how it amounts to studying "the "evolution of beauty."

Christiane Nüsslein-Volhard (2010) - On the Genetic Basis of Morphological Evolution (Lecture + Discussion)

Sie sind also mit der Evolutionstheorie vertraut, und wir werden mit Darwins Reise um die Welt anfangen. Diese große Reise unternahm Darwin als junger Mann auf der "Beagle". Dies ist die Route, die er nahm. Er startete in Plymouth, in England und reiste dann nach Südamerika, weiter zu den Galapagos-Inseln, dann nach Neuseeland, Tasmanien und Australien und über Afrika zurück nach England. Während seiner Reisen sammelte er viele Pflanzen und Tiere und alle möglichen Arten von Lebewesen und schickte sie nach Hause, wo sie beschrieben wurden. Er besaß ein enormes Wissen über alle diese Pflanzen und Tiere. Das ist etwas wirklich Außergewöhnliches. Ich glaube, heutzutage hat keiner von uns zeitgenössischen Biologen ein so umfangreiches Wissen. Und das ist vielleicht der Grund, warum er seine Evolutionstheorie entwickeln konnte. Und er bemerkte viel. Kurze Zeit, nachdem er nach England zurückgekommen war, zeichnete er die ersten Skizzen der Stammbäume. Er stellte fest, dass man Ähnlichkeiten bei Pflanzen und Tieren sehen konnte, die sehr deutlich waren, so dass man nicht sagen konnte, dass sie von Gott in einer voneinander völlig unabhängigen Art und Weise erfunden wurden. Er bemerkte Regelmäßigkeiten und Ähnlichkeiten und daraus schloss er, dass es einen gemeinsamen Ursprung dieser Tiere und Pflanzen geben müsse und dass sie gemeinsame Organisationsprinzipien hatten. Und dann schrieb er dieses überaus wichtige Buch, das Sie vermutlich nicht gelesen haben,... aber unbedingt lesen sollten. Es wurde vor 150 Jahren im Jahr 1859 veröffentlicht und trägt den Titel "The Origin of Species by Means of Natural Selection". In diesem Buch beschrieb er, dass die Ähnlichkeit von Pflanzen, von Tieren auf einen gemeinsamen Ursprung zurückgeht, was bedeutet, dass sie tatsächlich von denselben Vorfahren abstammen. Eines der wichtigsten Argumente für diese Theorie war in der Tat die Klassifikation, etwas, das die Biologen lange vor ihm bemerkt hatten, dass es möglich war, ein natürliches System der Pflanzen und Tiere aufzustellen und sie entsprechend ihrer Ähnlichkeiten und Unterschiede zu ordnen. Sie wissen, dass Linnaeus bereits im 18. Jahrhundert dieses natürliche System aufgestellt hatte, in dem er Pflanzen, bestimmte Pflanzen, aber auch Tiere klassifizierte und sie entsprechend der Ähnlichkeiten in ihrem Körperbau und ihrer Organisation in Gruppen anordnete. Und in Schritt 13 ging es immer und immer wieder darum, dass der Umstand, dass man klassifizieren kann, bereits ein Hinweis darauf ist, dass es einen gemeinsamen Ursprung, eine gemeinsame Abstammung gibt. Er zog dann daraus den Schluss, und dies ist ein Satz, den ich aus seinem Buch zitiere, dass dass sie sich in absteigenden Graden ähneln, so dass sie in Gruppen unter Gruppen klassifiziert werden können. Naturforscher versuchen, die allgemeine Art und die Familien in jeder Klasse in einem sogenannten natürlichen System anzuordnen. Und das ist es, was die Wissenschaftler wussten, dass es wahrheitsgemäß sein sollte, und wenn wir nicht genau wissen, was wahrheitsgemäß ist, dann deshalb, weil es viele Reorganisationen dieser Klassifikationen gab, weil es nicht so einfach ist, genau zu sagen, welche Arten näher verwandt sind als andere. Jede wahrheitsgemäße Klassifikation ist die genealogische Gemeinschaft der Abstammung, die unsichtbare Verbindung, welche die Naturforscher unbewusst gesucht haben, und nicht irgendein unbekannter Schöpfungsplan und das reine Zusammensetzen und Trennen von Objekten, die mehr oder weniger ähnlich sind. Er leitete also diese genealogische Abstammung der Tiere und Pflanzen von ihren Ähnlichkeiten ab und postulierte, dass sie einen gemeinsamen Ursprung hatten. Und dann hat er diese eine Abbildung in seinem Buch mit diesem Stammbaum. Dies ist der Endpunkt des Baumes. Leider kann ich Ihnen dies nicht zeigen. Dies sind also nun die neuen Arten, die heute existieren. Sie können sie irgendwie nach Ähnlichkeiten gruppieren, aber Sie wissen nicht genau, wie sie miteinander verwandt sind. Und dann hat er diesen wunderbaren Satz, "wenn jede Form, die jemals auf dieser Erde lebte, plötzlich wieder zum Vorschein käme, wäre eine natürliche Klassifikation möglich". Ich werde Ihnen das vollständige Diagramm zeigen, und dort haben Sie diese visionäre Idee, dass alles auf einen gemeinsamen Urahnen zurückgeht. Damals war diese Idee der Evolution natürlich höchst umstritten, aber in der Zwischenzeit hat sie weithin Anerkennung gefunden. Er stellte jedoch außerdem etwas fest, was in dem Kapitel, das ich Ihnen zuvor zeigte, angesprochen wurde, und das auch von anderen Biologen festgestellt wurde. Allerdings interpretierten sie es nicht richtig und wussten nicht, was es bedeutet, aber sie machten die Beobachtung, dass Tiere umso enger miteinander verwandt aussehen, wenn sie sich in einem möglichst frühen Stadium ihres Lebens befinden. Das klassische Beispiel kam von Karl Ernst von Baer bereits im Jahr 1823 oder so. Er beobachtete bei in Formalin eingelegten Embryos, dass man bei einem Embryo einen Hund nicht wirklich von einem Pferd unterscheiden konnte, da sie sich so ähnlich sahen. Darwin schloss aus dieser Ähnlichkeit bei den Embryonen, dass man sie in diesem Stadium am besten klassifizieren konnte. Man kann sagen, dass all jene, die sich sehr ähnlich sehen, miteinander verwandt sein müssen. Später jedoch, im späteren Verlauf der Entwicklung, sehen sie sehr unterschiedlich aus. Beispielsweise sieht eine Fledermaus ganz anders aus als ein Hund, aber ein Fledermaus-Embryo sieht einem Hunde-Embryo sehr ähnlich. In seinem nächsten Buch "The Descent of Man" zeigte er diese Abbildung, in der ein menschlicher Embryo mit einem Hunde-Embryo verglichen wurde und wies darauf hin, dass sie sich sehr ähnlich sahen. Das ist das, was wir gewissermaßen schon angeschnitten haben: Es gibt große Ähnlichkeiten in der frühen Entwicklung, aber ziemlich große Unterschiede in späteren Stadien des Lebens. Wenn Sie sich die Evolution anschauen, dann können Sie diese Ähnlichkeiten in der Embryonalentwicklung für die Klassifizierung nutzen, aber die Diversifikation ereignet sich in den späteren Stadien. Und die Selektion, die Darwin postulierte, war die treibende Kraft der Evolution. Die Selektion wirkt auf die adulten Tiere, nicht auf die Embryonen. Die Embryonen sehen sich ähnlich, da sich keine Selektion auf sie auswirkt. Sie müssen sich nicht selbst verteidigen, sie müssen nicht essen, sie müssen nicht kämpfen, die Mutter beschützt sie, sie müssen sich nicht viel verändern. Aber dann werden sie geboren, und nach der Geburt oder dem Schlüpfen aus dem Ei gibt es sehr viel Selektion, denn sie müssen alleine heranwachsen und überleben. Dieses Mittel der Variation und Selektion hat dann zu dieser immensen Ausbreitung der Diversifikation der Tierstämme geführt. Dies ist ein neuer (Stamm-)Baum, den ich Ihnen erläutere bzw. nicht wirklich erläutere, aber auf den ich angespielt habe und der bereits die Antwort auf Ihre Frage nach dieser gemeinsamen Entstehung der vielzelligen Tiere ist. Er teilt sich auf und Sie haben die Insekten auf einer und die Wirbeltiere, die Chordaten, auf der anderen Seite. Und Sie sehen auch sehr deutlich, dass der letzte gemeinsame Vorfahr der Insekten und der Wirbeltiere sehr grundlegend ist. Sie erwarten also einige grundsätzliche Ähnlichkeiten, aber auch große Unterschiede. Darauf werde ich zurückkommen. Morphologische Evolution basiert also auf der Variation, der Veränderung der Morphologie, der Veränderung der Morphologie durch die Mutation von Genen, welche die Gestalt und Funktion des Tieres bestimmen. Die Selektion bringt dann Individuen hervor, die irgendwie besser an die Umweltbedingungen angepasst sind. Im Durchschnitt haben sie häufig mehr Nachkommen, was langfristig zu der Veränderung der Form führen wird, und diese Mutationen, die vorteilhaft sind und ihnen helfen zu überleben, werden dann weitergeführt und andere werden eliminiert. Das Ziel der Selektion sind die adulten Formen. Die Embryo- und Larvenformen sind stärker konserviert. In der Entwicklungsbiologie und in dem, was ich während meiner Karriere studiert habe, nämlich der Entwicklung der genetischen Basis der Entwicklung von Drosophila, konzentrierten wir uns auf die frühen Stadien der Entwicklung. Viele Gene, die an den frühen Entwicklungsstadien und am Aufbau der grundlegenden Körperbaupläne von Insekten, Nematoden und Wirbeltieren beteiligt sind, kennen wir nun ziemlich genau. Diese Gene sagen uns jedoch nicht notwendigerweise viel darüber, warum später in der Entwicklung die Variation in der Form auftritt. Wenn Sie nämlich genetische Untersuchungen durchführen und die Gene bereits zu einem frühen Zeitpunkt in der Embryogenese aktiv sind, können Sie keine Mutation erhalten, die Sie auf Ihre Funktion bei den adulten Tieren hinweist. Sie bleiben daher im Wesentlichen unentdeckt. Daher sind die Gene, die für die Diversifikation der Formen der adulten Tiere erforderlich sind, nicht besonders gut bekannt und nicht besonders gut erforscht, und man kann vorhersagen, dass Fliegen nicht so viele haben, weil Wirbeltiere von ihnen in der Evolution so weit entfernt sind, dass vielleicht die Divergenz so groß ist, dass wir Fliegen nicht als Modell für die Morphologie adulter Wirbeltiere verwenden können. Wir müssen daher Wirbeltiere und die Genetik der adulten Strukturen bei Wirbeltieren direkt untersuchen. Das ist es, was wir taten, und zwar bei Fischen, im Wesentlichen tun wir es bei einer Art. Ich zeige Ihnen einfach dieses Bild, um es zu veranschaulichen - leider haben wir hier zu viel Licht, so dass Sie jetzt gewissermaßen ein wenig raten müssen. Aber Sie sehen diese enorme Vielfalt, die enormen Unterschiede zwischen verschiedenen Arten von Fischen. Es gibt heutzutage 40.000 Arten von Wirbeltieren, und die Hälfte davon sind Fische. Bei ihnen ist die Variation am größten - Sie sehen die Gestalt der Flossen und das Pigmentmuster und die enormen Unterschiede der Kiefer und Punkte und Streifen, und Sie sehen, dass es bei diesen morphologischen Mustern eine enorme Vielfalt gibt. Wenn Sie darüber nachdenken, ist eigentlich wirklich sehr wenig darüber bekannt, was die treibenden Kräfte sind, die diese Musterunterschiede verursachen. Und wenn Sie wissen möchten, was der Unterschied ist, müssen Sie zuerst lernen, wie das Muster selbst entsteht. Das ist es, was sich unser Labor zur Aufgabe gemacht hat, und wir konzentrieren uns nun auf zwei Dinge: Wir konzentrieren uns auf die Flossen und die Schuppen und auch auf das Pigmentmuster. Heute möchte ich meinen Vortrag darauf beschränken, was wir in Bezug auf die Pigmentmuster bei Fischen untersuchen. Dies ist ein sehr interessantes Gebiet, denn dasjenige, worauf dies letztendlich hinausläuft, ist das Verständnis der Evolution von Schönheit, weil es sich wirklich um sehr schöne Fische handelt. Wir wissen, dass sie nicht für uns, sondern für sich selbst, für die Erkennung von Verwandten, für die sexuelle Selektion schön sind, und natürlich auch für die Tarnung und um Beutetieren zu entkommen. Aber ein Großteil der Muster existiert tatsächlich, um andere Individuen derselben Art anzuziehen, und das ist es, was wir als Schönheit bezeichnen. Ich habe bereits erwähnt, dass der gemeinsame Ursprung der Wirbeltiere sehr weit unten ist, bei den Bilateria, den ersten Tieren, in deren Bauplan es ein Oben und Unten sowie vorne und hinten gab. Die Wirbeltiere gehen zurück auf die Chordaten, die vielleicht auf diesen Zweig auf der rechten Seite des Bildes zurückgehen. Die Spaltung ereignete sich hier, sehr weit unten, zwischen den Urmündern und den Neumündern. Übrigens beziehen sich alle diese verschiedenen Zweige, die Sie hier sehen, auf embryonale Strukturen. Lophotrochozoen haben zum Beispiel einen bestimmten Typus von Larvenform. Den Ringelwürmern und den Mollusken und den Häutungstieren ist gemeinsam, dass sie sich häuten müssen, um zu wachsen. Die Neumünder haben ein kontinuierliches Wachstum, und es gibt relativ spät in der Evolution eine Verzweigung, die sich in Stachelhäuter und Chordatiere aufspaltet. Die primitiven Chordaten traten, zusammen mit fast allen anderen Stämmen, den Tieren der grundlegenden Körperbaupläne der bestehenden Stämme, bereits in der kambrischen Revolution auf. Anfangs waren die Chordatiere ziemlich primitive Tiere und teilten den Körperbauplan der Chorda, der aus einem starren inneren Skelett besteht, um das sich der weiche Körper bildet. Dann haben Sie diese fünf neuen Klassen, Fische, Amphibien, Reptilien, Vögel und Säugetiere, und sie werden zunehmend komplexer hinsichtlich ihres Körperbaus. Sie erwerben all diese sehr unterschiedlichen Strukturen. Dieser Erwerb vollzog sich in der Evolution mit Hilfe einer Art Erfindung einiger embryologischer Prinzipien, und zwar erwarben sie die Neuralleiste und Placoid-Schuppen. Hierbei handelt es sich um embryologische Strukturen oder Organe, die bei wirbellosen Tieren nicht existieren. Sie rufen all diese Unterschiede, die enorme Vielfalt der äußeren Strukturen hervor, die Sie bei den neuen Klassen von Tieren sehen. Beispielsweise stammen alle Pigmentzellen aus der Neuralleiste. Die Schuppen stammen von Placoid-Schuppen ab, die Haare stammen von Placoid-Schuppen ab, dies sind Hautspezialisierungen. Diese Diversifikation, der Erwerb dieser reichen Formen, hängt von der Entwicklung der Neuralleiste ab, die sich ungefähr an folgender Stelle ereignete - ich glaube, ich habe - ja, dies ist das primitivste Chordatier. Es sind sehr einfache Tiere, aber in der späteren Evolution erwarben sie zuerst den Kopf mit dem Kiefer und dem Schädel, dann die Beine, Flügel und Arme und dann die äußeren Dekorationen wie Federn, Haare und Schuppen. Die Neuralleiste ist also - gibt es unter Ihnen Wirbeltier-Embryologen? Vielleicht nicht, vielleicht zwei oder drei. Wie auch immer - Sie kennen die Neuralleiste nicht, o.k. Es ist eine Struktur, die aus einer Population pluripotenter Zellen besteht, die höchst migratorisch sind. Sie entstehen an der Position zwischen der Epidermis und dem sich einrollenden Neuralrohr. Dann beginnen diese Zellen, aus dieser Region wegzuwandern. Sie bevölkern den Körper und rufen all diese verschiedenen Strukturen hervor, wie das periphere Nervensystem oder Pigmentzellen, den Kiefer, die Zähne, den Schädel, einige der Schädelknochen, Schnäbel und Hörner usw. usw. Und ohne diese Strukturen würden die Tiere sehr, sehr, sehr viel einfacher aussehen als sie heute aussehen. Wir müssen also auf die Entwicklung dieser Neuralleiste achten. Sie enthält gewissermaßen das Geheimnis der Diversifikation der Formen und der Morphologie der Wirbeltiere. Wie ich sagte, entstand sie vor ungefähr 450 Millionen Jahren, übrigens wahrscheinlich zur selben Zeit, als sich das adaptive Immunsystem herausbildete. Das könnte ein Zufall sein. Andererseits müssen Sie sehen, dass im Gegensatz dazu der Körperbauplan, wenn ich zu diesem primitiven Chordatier zurückgehe, das nur ein Innenskelett besitzt, einen Stab und dann einen weichen Körper, sich irgendwie selbst schützen musste. Die meisten Strukturen der Neuralleiste, auch die Haut, tragen dazu bei, das Äußere zu schützen, und machen die Haut und auch die Schuppen und die Pigmentzellen und damit die äußere Dekoration aller Wirbeltiere aus. Der Ursprung der Neuralleiste liegt also, wie ich sagte, in der Embryogenese, und dies ist nun ein frühes Stadium eines Zebrafisches (Zebrabärblings). Die frühen Stadien von Fischen sehen, wie Sie sich denken können, sehr ähnlich aus, und da ist nun der Zebrafisch. Sie sehen, dass hier der Kopf ist, und die gepunktete Struktur ist das zentrale Nervensystem und die dunkle Struktur ist die chorda dorsalis, das Notochord, das den Chordatieren den Namen gibt, der Stab, der die Körperachse stabilisiert. Dann haben Sie diese V-förmigen Somiten (Urwirbel/Ursegmente), welche die Vorläufer der Muskeln sind. Das kennen Sie, wenn Sie Fisch essen, Sie können es erkennen, wenn Sie eine Forelle essen. Wenn Sie Rücken- und Bauchseite trennen, gibt es eine horizontale Linie, die als horizontales Myoseptum bezeichnet wird und beide Seiten trennt. Dies ist eine wichtige Struktur, auf die ich zurückkommen werde. Die Neuralleiste entsteht an der Spitze des zentralen Nervensystems. Wenn man sich einen Querschnitt ansieht, kann man diese roten Zellen sehen. Dies sind Zellen aus der Neuralleiste. Die gepunkteten Zellen werden sich einstülpen, um das zentrale Nervensystem zu bilden. Die dunkle Struktur darunter ist das Notochord. Dies ist das zentrale Nervensystem. Die Zellen der Neuralleiste lösen sich dann sozusagen von ihrem Ursprung ab und wandern durch den Körper. Sie wandern auf zwei verschiedenen Pfaden. Der eine ist extern, unterhalb der Haut, und der andere ist intern, um das Notochord und die Gedärme herum. Sie lassen hauptsächlich Sinnesorgane, das periphere Nervensystem, Pigmentzellen - alle Pigmentzellen des Körpers - und Ganglien des Nervensystems entstehen. Die Fische sind möglicherweise die einfachste Form der Wirbeltiere, die wir untersuchen können, und sie haben eine Neuralleiste und der Neuralleiste entstammende Organe. Deshalb sind sie sehr gut geeignet, um das zu untersuchen. Sie haben noch andere Vorteile. Wir verwenden Zebrafische. Sie haben den Vorteil, dass sie einfach zu züchten sind und große Eier legen. Die Eier werden abgestreift und außerhalb des Körpers befruchtet. Sie sehen hier, dass die Eier ziemlich groß sind, hier sehen Sie zwei. Man kann die Entwicklung im lebenden Embryo mit sehr einfachen optischen Geräten beobachten. Einige von Ihnen arbeiten vielleicht mit Zebrafischen. Es ist leicht, Videoaufnahmen zu machen, und man kann mit Hilfe von Live-Videoaufnahmen über einen langen Zeitraum hinweg die Wanderung der Zellen durch den Körper verfolgen und beobachten, insbesondere dann, wenn man - dies wird morgen ausführlicher besprochen werden - sie mit fluoreszierenden Farben markiert, kann man einzelne Zellen verfolgen. Ich werde Ihnen dazu einige Bilder zeigen. Dies war nun die Einführung, die Gliederung meines Vortrags. Ich habe Ihnen erzählt, dass wir uns vornehmen, die Gene zu bestimmen, die erforderlich sind, um die Unterschiede im Pigmentmuster des adulten Körpers wie auch der Schuppen und Flossen zu bewirken. Wir machen also genetische Untersuchungen direkt für die adulte Morphologie und hoffen, dass wir Gene identifizieren können, die exakt für diese Strukturen erforderlich sind. Das ist der eine Aspekt, über den ich nicht viel spreche. Ich möchte Ihnen nur einen Überblick geben, es geht für Sie zu sehr ins Detail. Dann werde ich aufgrund der begrenzten Zeit überspringen, was wir bezüglich der Hautknochen, nämlich der Schuppen, des Schädels und der Flossen untersuchen, und ich werde Ihnen ein wenig darüber erzählen, wie die Farbmuster bei den Zebrafischen entstehen. Farbmuster bei Fischen sind etwas, was man überaus faszinierend finden kann. Ich zumindest gehe gerne zu den Aquarien und studiere sie. Und man sieht, dass es einen sehr, sehr großen Reichtum an Farben und auch an Mustern gibt, obwohl man bei genauerem Hinsehen erkennt, dass die am weitesten verbreiteten Muster Streifen und Punkte sind. Die Streifen können entweder wie bei diesem Zebrafisch horizontal oder wie bei den meisten Fischen, die Sie hier sehen, vertikal sein. Aber dies ist eine zufällige Auswahl, wobei ich nicht weiß, ob sie zufällig ist, es ist einfach eine Auswahl. Dies hier ist ein Hecht - haben Sie schon einmal Hecht gegessen? Sie schwimmen im Bodensee und haben auch diese Streifen und wenn Sie Hecht essen, sehen Sie die Streifen auf der Haut. Und das ist eine Forelle. Sie könnten hier auch Forellen aus dem Bodensee essen. Aber Sie sehen, dass die Süßwasserfische aus dieser Gegend nicht besonders farbenfroh sind. Die farbenfreudigsten Fische stammen selbstverständlich aus den tropischen Ozeanen. Der Zebrafisch stammt nicht aus einem tropischen Ozean, sondern aus dem Ganges. Er ist ein Süßwasserfisch und nicht so farbenfroh, aber farbenfroh genug, und er hat hübsche Streifen. Er ist gleichmäßig gestreift. Die Streifen sind typisch für das adulte Muster, die Larven haben diese Streifen noch nicht. Sie sind gestreift, aber nicht im selben Muster. Dies gibt Ihnen einen Überblick über den Lebenszyklus, der Fische zu einem attraktiven Modell macht, um daran auch viele verschiedene Aspekte der Entwicklung zu untersuchen. Die Eier werden gelegt, und innerhalb von zwei Tagen ist die Entwicklung des Embryos abgeschlossen und die kleine Larve schlüpft, die im Großen und Ganzen einem Fisch wirklich sehr ähnlich sieht. Sie schwimmt und kann essen und hat Streifen. Allerdings hat sie nur sehr primitive Streifen, nämlich einen Rückenstreifen, einen seitlichen Streifen und einen Bauchstreifen. Während einer Phase im Alter von ungefähr drei bis vier Wochen erwerben die Fische in einem Prozess, den wir als Metamorphose bezeichnen, obwohl er bei Weitem nicht so dramatisch ist wie die Metamorphose bei Insekten, das adulte Muster. Danach bleibt das Streifenmuster unverändert und der Fisch wächst einfach weiter. Der adulte Fisch ist wunderhübsch gestreift und hat zwei verschiedene Streifen. Das, was hier blau erscheint, sind in Wirklichkeit schwarze Pigmentzellen, welche die Streifen bilden. Dazwischen sind gelbe Zellen, die gelbe Streifen bilden, und sie scheinen blau und weiß zu sein, da sich darunter eine Schicht von silbrigen Zellen befindet, die das Licht reflektieren. Deshalb wirkt dies hier blau und nicht schwarz. Die Larven haben also diese drei schwarzen Streifen, welche offensichtlich morphologischen Orientierungspunkten folgen, wohingegen die adulten Fische solche Streifen haben, die keinen morphologischen Orientierungspunkten folgen. Sie sind einfach regelmäßig gestreift. Sie richten sich vielleicht entlang des horizontalen Myoseptums aus, aber davon abgesehen, sind sie sehr regelmäßig hinsichtlich des Abstands. Es ist interessant, nachzuvollziehen, warum und wie diese Streifen entstehen. Wir haben nun diese Untersuchung durchgeführt. Diese Untersuchung galt der Genetik. Ich möchte nicht ins Detail gehen, denn ich denke, dass nicht alle von Ihnen Biologen oder Genetiker sind. Mutanten zu erzeugen, bedeutet, dass die Tiere mit Mutagenen behandelt werden, die ein verstärktes Auftreten von Mutationen in ihrem Genom zur Folge haben. Man behandelt die Männchen. Die Spermien werden nun refertilisiert und man schafft dann Inzucht-Familien und kreuzt sie miteinander, Bruder-Schwester-Paarungen. Nach ungefähr drei Generationen kann man homozygote Individuen erhalten, die homozygote Träger für eine bestimmte Mutation sind, und dann untersucht man die Phänotypen. In unserem Fall haben wir bei früheren Untersuchungen die Embryos überprüft und konnten 25 % als Mutanten identifizieren, wenn sie eine bestimmte Eigenschaft aufwiesen. Daraus leitete man dann ab, dass die Eltern heterozygot für diese bestimmte Mutation waren. Man kann sie auch heranwachsen lassen und sehen, ob man adulte Fische findet, die zu 25 % einen bestimmten Phänotyp aufweisen, und das taten wir. Wir isolierten eine recht große Anzahl adulter, erkennbarer Mutanten, bei denen die Fische überlebten und Änderungen ihrer Morphologie aufwiesen. Dies sind die Leute, die bei diesem Projekt involviert waren. Da Sie niemanden davon kennen, werde ich sie Ihnen jetzt nicht vorlesen. Hier haben wir nun wieder ein Bild von adulten Fischen. Weibchen und Männchen sind sich in hinsichtlich des Musters ziemlich ähnlich. Die Männchen sind ein wenig gelblicher. Die gelben Zellen haben eine gelbe Pigmentierung, aber der größte Unterschied ist tatsächlich die Körperform, die bei den Weibchen rundlicher als bei den Männchen ist. Sie sehen also, dass in diesem Fall das Pigmentmuster kein Ziel der sexuellen Selektion ist. Zwar haben wir es noch nicht getestet, aber es ist eindeutig, dass diese Fische Schulen bilden. Sie schwimmen gemeinsam, sie erkennen einander und sie bilden diese wirklich sehr großen Schulen. Und eng miteinander verwandte Fische - nun, ich habe Ihnen bereits erzählt, wie das Muster gebildet wird. Es ist sehr ungünstig, dass wir hier zu viel Licht haben, aber Sie sehen hier, dass es von diesen drei verschiedenen Typen von Pigmentzellen gebildet wird, und zwar von den schwarzen Melanophoren, den gelben Xanthophoren, die sich zwischen diesen schwarzen Streifen befinden, und den silbernen Iridophoren, die darunter liegen und den gesamten Körper bedecken. Leider können wir das hier nicht sehen. Es ist jedoch interessant, dass es hier eine ziemlich große Anzahl von Danios (Danio choprae, Rubinbärblinge) gibt. Zebrafische sind als Art relativ eng mit Danios verwandt, die anders als die Zebrafische nicht gestreift sind. Sie sehen völlig anders aus und besitzen dieselben Zelltypen, aber der Danio choprae hat Quer- und keine Längsstreifen. Diese Fische zwei verschiedener Arten paaren sich und bringen Hybriden hervor. Sie sind also ziemlich eng verwandt, aber sie haben ein ganz anderes Streifenmuster. Die grundlegende Frage, die wir uns stellen, lautet, wie man von hier nach dort gelangt und wie diese Streifenmuster entstehen. Diese Untersuchungen ergaben also eine große Anzahl von Mutationen. Die meisten davon untersuchten wir als beim Embryo sichtbare Mutationen, die also auch Auswirkungen auf das Farbmuster der Larven hatten. Einige sind allerdings auch spezifisch für das Streifenmuster der adulten Fische, einschließlich Sternchen, Obelisken und Leopard, die Sie hier unten sehen. Ich werde Ihnen die Phänotypen später zeigen. Ein Beispiel für eine einfache Farbmutation, eine Mutation der Pigmentierung ist der Albino, der einer der ersten Mutanten war, die für Zebrafische beschrieben wurden. Diese Mutation hat zur Folge, dass die Melanophoren ohne Pigmente bleiben. Dadurch sehen die Fische gelb aus, da nur die Xanthophoren pigmentiert sind und die Melanophoren unpigmentiert sind. Aber sie sind gestreift, Sie sehen, dass die schwarzen Streifen hier als weiße Streifen erscheinen. Können Sie das hier sehen? Man kann es kaum erkennen. Kürzlich klonte Chris Dooley im Labor dieses Gen und fand heraus, dass es einen SLC-Transporter kodiert, der Teil einer überaus großen Familie von Proteinen ist, die für den Transport in Vesikel benötigt werden. Wir wissen nicht, was er transportiert, aber für unsere Zielsetzung ist das auch nicht besonders interessant. Die Mutation bewirkt jedoch, dass die Melanosomen, welche die Organellen sind, die das schwarze Pigment, das Melanin, tragen, beinahe leer sind. Sie haben nur winzig kleine Flecken von Melanin, sind aber nicht gefüllt. Und es gibt eine andere Mutation, die "golden" genannt wird und bei der einfach weniger Melanin in diesen Melanosomen vorhanden ist. In diesem Fall sind die Fische einfach blasser als mein Typ. Dabei wird auch ein SLC-Transporter kodiert. Interessant ist daran, dass genau diese zwei Gene für den SLC-Transporter in einer Untersuchung der Varianz in der menschlichen Population identifiziert wurden, bei der es darum ging, welche Gene variieren oder wo man eine bestimmte Selektion eines bestimmten Allels in bestimmten menschlichen Populationen findet. In diesem Fall, dem Fall der Albinos, hat das menschliche Homolog dieses Gens zwei Allele, und Sie sehen, dass eines davon, nämlich das schwarz markierte Allel, hauptsächlich bei europäischen und vorderasiatischen Populationen ausgeprägt ist, während andere Stämme auf der Welt das anzestrale Allel haben. Zufälligerweise gibt es nur drei solcher Gene, bei denen die Präferenz eines bestimmten Allels in bestimmten Gebieten der menschlichen Population nachgewiesen wurde. Das eine ist "Albino", das andere ist "golden" - dies nannte ich Ihnen bereits - und das dritte ist "EDAR" (Ectodysplasin-A-Rezeptor). Das ist ein Rezeptor, der an der Haarbildung und bei Fischen an der Bildung von Schuppen beteiligt ist. Genau genommen, haben wir ihn in unserer Untersuchung identifiziert. Dies ist ziemlich interessant, denn es sagt uns, dass in diesem Fall der Zebrafisch vielleicht einige Elemente für die menschliche Evolution besitzt. Und es ist irgendwie verblüffend, dass von den wenigen Genen, die bei der menschlichen Evolution eine Rolle gespielt haben, sie auch für die Fische relevant sind. Somit komme ich nun zurück zu Ursprung und Entwicklung des Pigmentmusters. Ich erwähnte bereits, dass unsere Pigmentzellen von der Neuralleiste stammen, und ich habe Ihnen schon dieses Bild gezeigt, auf dem die Zellen der Neuralleiste sich an dieser bestimmten Stelle, an der die Epidermis und die sich einstülpende Neuralplatte nebeneinander liegen, ablösen und durch den Körper wandern. Für das Muster der Larven haben wir nun Mutationen, bei denen einige der Pigmentzellen fehlen. Sie haben Auswirkungen auf die Zellen der Neuralleiste. Dies ist eine der klassischen Mutationen, farblos, sie kodiert einen Transkriptionsfaktor namens SOX-10. Bei dieser Mutation fehlen alle von der Neuralleiste stammenden Pigmentzellen, und diese Fische sind vollkommen weiß, mit Ausnahme der Augen, die zwar Pigmentzellen besitzen, jedoch nicht aus der Neuralleiste stammen. Es handelt sich also um eine Art von pan-Neuralleisten-Marker. Ich habe keine Zeit, Ihnen das zu erklären, aber wenn Sie den Promotor von SOX-10 nehmen und einen Marker, ein Reporter-Gen für GFP (grün fluoreszierendes Protein) unter die Kontrolle dieses Promotors des SOX-10-Gens stellen, dann können Sie alle Zellen, die SOX-10 exprimieren, grün markieren. Und dann sehen Sie hier - oh, das tut mir so leid, es ist schwierig zu erkennen - aber Sie können sehen, dass die grünen Zellen die Zellen sind, die SOX-10 exprimieren, und Sie sehen diese Ströme, segmentären Ströme, wo sie gewissermaßen durch den Körper wandern. In einem Transfer-Abschnitt sehen Sie, dass einige nach außen und einige nach innen wandern. Und das nächste Dia sollte Ihnen hoffentlich zeigen, dass Sie, wenn Sie den Embryo herumdrehen, diese Ströme von wandernden, frühen Neuralleisten-Zellen sehen können. Einige bleiben an der Spitze. Die weißen Zellen sind zufällig für ein Gen markiert, das das zentrale Nervensystem markiert. Auf dem Dia ist es viel schöner, aber diejenigen unter Ihnen, die ein sehr großes Interesse haben, können kommen und es sich ansehen. Ein anderer Marker ist dieses Gen, das in der Tat in allen Melanophoren exprimiert wird, es wird MITF genannt und ist ebenfalls ein Transkriptionsfaktor. Hier sehen Sie sehr schön diese Ströme von Zellen der Neuralleiste, die von der dorsalen Erhöhung des Nervensystems durch den ganzen Körper wandern. Und Sie sehen ein Muster, Sie sehen, dass sie in jedem Segment so etwas wie Zellgruppen bilden, und diese Zellen werden vermutlich später zu Stammzellen für das Pigmentmuster des adulten Tieres. Sie sehen außerdem etwas sehr Schönes. Sie sehen einen Nerv mit seinen Gliazellen, welche die Seitenlinie bedecken und nun von hier kommen, hier entlang wandern. Und dies ist der Nerv des Seitenlinienorgans, der die Gliazellen entlang zieht und später das Nervengewebe, das Sinnesorgan für die Mechanorezeptoren bilden wird, mit der Fische beim Schwimmen die Druckwellen wahrnehmen. Ein anderes Gen, von dem wir festgestellt haben, das es an der Bildung des Pigmentmusters beteiligt ist, ist pUC 7. Es markiert für uns die Xanthophoren, diese gelben Zellen, und in diesem Fall wandern die Vorstufen der Xanthophoren nur entlang der äußeren Route und nicht entlang der inneren Route. Sie können wiederum mit Hilfe eines Zeitrafferfilms diesen wandernden Pigmentzellen folgen. Die Streifen der Larven entstehen also anscheinend aus den verschiedenen Zellen der Neuralleiste, die einfach zu ihrem Ziel wandern und diese Streifen bilden, den seitlichen und den Bauchstreifen, und sich an den morphologischen "Landmarken" sammeln. Entweder bleiben sie bei der Neuralleiste oder sie sammeln sich entlang des Seitenstreifens oder wandern zur Bauchseite. Die adulten Streifen entwickeln sich hingegen auf andere Art und Weise. Den exakten Zeitrahmen und auch die Herkunft kennen wir noch nicht, aber wir wissen, dass zur Zeit der Metamorphose neue Melanophoren erscheinen, die irgendwie aus dem Inneren des Fischs auftauchen und sich längs zwischen diesen Streifen ausrichten. Nach ungefähr fünf Wochen zeigen sich die Xanthophoren-Streifen und trennen die schwarzen Streifen entlang des horizontalen Myoseptums. Später habe ich ein besseres Foto. Es tut mir so leid, dass Sie es bei der Beleuchtung nicht so schön sehen können, wie es dargestellt ist. Es gibt also einige grundlegende Fragen. Wir sind nun ziemlich gut darüber informiert, wie die frühen Streifen entstehen, aber wir wissen nicht, wo die Zellen für die adulten Streifen herkommen. Es muss irgendwelche Stammzellen geben, denn die Neuralleiste ist längst verschwunden, wenn diese Streifen, die adulten Steifen sich bilden. Die Neuralleiste ist eine Übergangsstruktur, sie existiert nicht mehr. Daher müssen wir die Frage stellen, wo die Stammzellen sind, woher diese späteren Pigmentzellen kommen und wie sie wandern, und wie sie sich in diesem artspezifischen Muster unter der Haut anordnen, in Streifen bei Zebrafischen, bei Danio-Arten in Punkten oder in Querstreifen. Ich möchte Ihnen nur erzählen, was unserer Meinung nach passiert, denn ich kann nicht die ganzen Beweise durchgehen, dafür ist die Zeit zu knapp. Wir glauben, dass die Stammzellen für die Chromatophoren sich sammeln und mit den Strukturen des peripheren Nervensystems, das ebenfalls eine von der Neuralleiste stammende Struktur ist, verbinden. Diese werden pro Segment zugewiesen, und Sie haben bereits in diesen Filmen gesehen, dass es da diese Punkte gibt, für jedes Segment und dann entlang der Seitenlinie, und das ist eine Art Gitter für die verschiedenen Orientierungspunkte entlang der Achse des Fischkörpers. Wahrscheinlich ist dies bei allen Fischen so, zumindest, soweit wir sagen können, bei den Karpfenfischen, die mit mehreren Fischen verwandt sind. Die letztendliche Bildung der Streifen hängt wahrscheinlich von der subtilen Interaktion der Zellen untereinander ab, sobald sie einmal an der Oberfläche sind. Der Beweis dafür sind diese Pfade, auf die ich bereits hinwies. Die grünen Punkte sind die Vorstufen für die Melanophoren und die roten Punkte sind die Vorstufen für das periphere Nervensystem. Wir finden eine enge Verbindung zwischen diesen Zelltypen. Daher glauben wir, dass dies der Ort ist, wo sich die Stammzellen am peripheren Nervensystem befinden. Ich werde das überspringen, denn ich kann es nicht wirklich gut veranschaulichen. Dies zeigt Ihnen wiederum, wie sich während der Metamorphose der gelbe Streifen am horizontalen Myoseptum bildet und den Dorsalstreifen und eventuelle schwarze Streifen trennt - das ist also der Nachweis für den ersten Streifen, für das Streifenmuster hier. Wir glauben, dass die Seitenlinie tatsächlich den Orientierungspunkt für diese erste Streifenbildung durch die Xanthophoren darstellt. Die Beweise sind wiederum schwierig zu erläutern und ich möchte Ihnen einfach noch einmal die Seitenlinie veranschaulichen. In diesem ersten Film des MITF haben Sie gesehen, wie die grünen Zellen an dieser Seitenlinie entlang wanderten. Das ist wieder eine weitere Färbung der Seitenlinienglia entlang des horizontalen Myoseptums, und dann führt dies schließlich zu diesen Sinnesorganen, die sich an der Seite des Fisches befinden und in diesen Haarbündeln, die Sie aus der Haut herausragen sehen, mechanische Stimuli wahrnehmen. Wir denken, dass diese Seitenlinie eine Markierung, eine morphologische Landmarke für die Herkunft der Pigmentzellen ist. Ich zeige Ihnen jetzt zum Spaß einen Film, in dem die rotgefärbten Flecken die Axone, die Nerven sind, die entlang der Seitenlinie wachsen, und die Gliazellen sind die grünen Zellen, die diesem Nerv folgen. Dieser Film wurde von Darren Gilmour gedreht, während er als Postdoc in meinem Labor arbeitete. Das soll nur verdeutlichen, dass es entlang des Fischs eine sehr auffällige Struktur gibt, die vielleicht auch mit der Herkunft des Pigmentmusters zu tun hat. Wir haben also eine Anzahl von adulten lebensfähigen Mutationen, welche die Streifenbildung beeinflussen. Hier sehen Sie wieder den Y-Typ, oben links, dann haben wir einen Mutanten, der "spärlich" genannt wird und bei dem eine ziemlich starke Reduktion der Melanophoren vorliegt, und eine "Pfeffer" genannte Mutation, bei der es keinerlei Xanthophoren gibt und welche bewirkt, dass die Melanophoren sich in ein Pfeffer-und-Salz-Muster auflösen. Dann haben wir eine Mutation "schattig", bei der es keine Iridophoren gibt und die Fische außerdem keine Streifen haben. Eine andere Mutation ist "Leopard": die Streifen werden zu Punkten, aber wir haben beide Zelltypen, die Xanthophoren und die Melanophoren. Wir haben noch weitere Mutationen, wie zum Beispiel "Perlmutt", wo alle Melanophoren fehlen, es gibt nur gelbe Zellen und keine sehr regelmäßigen Streifen. Dies sind Vergrößerungen, die ich Ihnen erspare, weil Sie die Details nicht wirklich sehen können. Trotzdem: Der wichtige Punkt ist, dass, wann immer einer der Zelltypen fehlt, die anderen keine Streifen bilden können. Im Fall von "Perlmutt" haben wir nur Xanthophoren - sie können keine richtigen Streifen bilden. Im Fall von "Pfeffer" haben wir nur Melanophoren - und auch diese können nicht die richtigen Streifen bilden. Wir können ein Experiment durchführen, was man bei Zebrafischen sehr einfach vornehmen kann. Man transplantiert Zellen aus einem Y-Typ in einen Mutanten oder von einem Mutanten A zu einem Mutanten B und erschafft Chimären, bei denen manche der Zellen einen anderen Genotyp haben. Man bekommt ein interessantes Ergebnis, nämlich, dass die Streifen wieder gebildet werden können. Dies hier soll nur zeigen, was passiert, wenn man Y-Typ-Zellen in einen Albino-Fisch transplantiert. Man bekommt diese Querstreifen, was bedeutet, dass die Spenderzellen schwarze Zellen herstellen, die sich wie erwartet in das Streifenmuster einfügen. Und wenn Sie jemals Zellen eines "Perlmutt"-Embryos, der keine schwarzen Zellen hat, in ein Empfänger-Embryo verpflanzen, der keine gelben Zellen hat, dann können beide nicht richtige ... bilden - nein, Verzeihung, wenn Sie Zellen eines Y-Typs transplantieren - in diesem Fall sind die Melanophoren farblos, denn es ist ein Albino - und dies in einen Rezipienten transplantieren, der keine Xanthophoren hat, dann können die Albino-Xanthophoren in diesem Hintergrund normale Streifen bilden. Das heißt, dass es eine Interaktion zwischen den Melanophoren und den Xanthophoren gibt, um Streifen entstehen zu lassen. Wir können das mit allen möglichen Zellkombinationen durchführen und Rückschlüsse ziehen. Dies ist der Fall, bei dem man Melanophoren in einen Fisch transplantiert, der keine Xanthophoren hat, und auch hier bilden sie in dieser Region, wo die transplantierten Zellen hingelangen, richtige Streifen. Das deutet darauf hin, dass eine enge Interaktion zwischen den verschiedenen Zelltypen erforderlich ist, um diese Streifen zu bilden. Wir kennen die molekulare Natur dieser Interaktion noch nicht, aber das ist sozusagen die "große Frage", die sich uns momentan stellt. Und das ist das Experiment für die Iridophoren, was hier schwierig zu sehen ist, aber wenn es keine Iridophoren gibt, können die anderen Zellen auch keine Streifen bilden. Und Sie können das Muster durch Transplantation wiederherstellen. Die Schlussfolgerung lautet also, dass die Bildung des Musters eine Interaktion aller drei Zelltypen verlangt und dass es eine Kurzstrecken-Interaktion zwischen diesen Zellen bedeutet. Wir wissen nicht, welche Gene beteiligt sind. Wir haben Mutationen, bei denen diese Streifen nicht regelmäßig gebildet werden. Ich habe Ihnen eine gezeigt, die Flecken zur Folge hat. Wir wissen auch, und das ist das Interessanteste, dass es andere Mutationen gibt, bei denen das Muster auf verschiedene Arten und Weisen mehr oder weniger unregelmäßig ist. Und wir analysieren jene nun auf der molekularen Ebene, um herauszufinden, welche Gene und Proteine an dieser Interaktion zwischen diesen Zelltypen beteiligt sind. Dies hier sind noch einmal Zebrafische, zwei eng verwandte Arten: eine mit einem sehr unregelmäßigen Streifenmuster und diese andere mit dem Querstreifenmuster. Um zum Schluss zu kommen - die grundlegende Frage, die wir beantworten möchten, ist folgende: Wir möchten wissen, welche Gene an diesen Unterschieden beteiligt sind. Und ich glaube, dass an dieser Stelle die genetische Grundlage der morphologischen Evolution ihre Antworten, einige Antworten finden wird. Ich danke Ihnen für Ihre Aufmerksamkeit.

Christiane Nüsslein-Volhard uses the oportunity at the 60th Lindau Nobel Laureate meeting to talk to young scientists about the genetic basis of morphological evolution.
(00:08:05 - 00:12:20)

The complete video is available here.

The next female Nobel Laureate was Linda Buck, who made key discoveries about the organisation of the olfactory system and received the Nobel Prize in Physiology or Medicine in 2004. The sense of smell largely remained a mystery compared to other senses at the time. So, in 1991, Buck and her colleague Richard Axel broke new ground when they published a paper demonstrating how hundreds of genes code for the odorant sensors located in the olfactory sensory neurons in our noses [24].

Four years later, the Nobel Committee honoured French virologist Françoise Barré-Sinoussi for her discovery of the retrovirus HIV in 1983. The first cases of AIDS had appeared around the world, including in France, and she was tasked with determining whether a retrovirus could be responsible for this alarming epidemic. Retroviruses carry their genetic material in the form of RNA instead of DNA, using an enzyme called reverse transcriptase to convert their RNA into DNA upon infecting a cell. Barré-Sinoussi detected significant reverse transcriptase activity in a lymph node biopsy from an AIDS patient [25].

In a video clip featured in Barré-Sinoussi’s Nobel Lab 360, she introduces the motivations of her retrovirology laboratory at the renowned Pasteur Institute, where she has performed research for more than forty years.

Nobel Lab 360° — Françoise Barré-Sinoussi explains the motivations of her retrovirology laboratory at the renowned Pasteur Institute in the clip "Françoise Barré Sinoussi - Introduction"
Nobel Lab 360° — Françoise Barré-Sinoussi explains the motivations of her retrovirology laboratory at the renowned Pasteur Institute in the clip "Françoise Barré Sinoussi - Introduction"

Explore further Nobel Labs 360° here.

She gave a Lindau lecture in 2015 on how translational research on viral infectious diseases can lead to treatment and prevention options for patients, with the past three decades of HIV/AIDS science as a highlighted example.

Françoise Barré-Sinoussi explained in her Lindau lecture in 2015 how translational research on viral infectious diseases can lead to treatment and prevention options for patients, with the past three decades of HIV/AIDS science as a highlighted example.
(00:02:03 - 00:05:42)

The complete video is available here.

 

2009: Four Nobel Women in a Single Year

The year 2009 proved to be a record-breaking one for women in science, as four female Nobel Laureates were added to the honoured list at once from the fields of Chemistry, Physiology or Medicine, and Economic Sciences. Most notably, Ada Yonath received the Chemistry award for her research on the structure and function of the ribosome [26]. A woman had not been awarded the Nobel Prize in Chemistry since 1964, when Dorothy Crowfoot-Hodgkin was the sole recipient for her advancements in X-ray crystallography to study the structure of biomolecules.

Similar to her predecessor Crowfoot-Hodgkin, Yonath and her colleagues employed X-ray crystallography to map the complex structure of ribosomes, which translate the information contained within DNA into the body’s thousands of proteins. These 3D models, which consist of hundreds of thousands of atoms, have applications for the development of antibiotics that target ribosome function in bacteria. Many of today’s antibiotics work in this way to treat disease.

The Israeli crystallographer has attended the Lindau Meetings nine times in total since 2010. In 2011, Yonath gave a lecture titled “Climbing the Everest Beyond the Everest,” where she described her research on ribosomes as reaching the summit of mountain only to find a taller and more difficult peak to ascend. The following clip is the closing of her talk, where she directly addressed the young women in the audience who wonder whether it’s possible to do science and have children.

Ada E.  Yonath (2011) - Climbing the Everest Beyond the Everest

After yesterday I think that I really have to show you what I called yesterday the evidence. How this project started and continued. Maybe it is as important as the result. So let’s climb the Everest beyond the Everest. I think that you all know that the Ribosome is the last chain, the last member in the chain of translating the genetic code into proteins. The genetic code is being expressed in messager RNA which is very similar to DNA but can exist as a single strand therefore it can direct the information and it is available for translation. So ribosomes are universal. Each ribosome can translate every messenger, every sequence in a similar fashion. There is a huge number of ribosomes that function in each cell. Mammalian cells can contain millions of ribosomes. This is a piece of information I didn’t know when I started. Even bacteria can reach in the low period they can reach 100,000 ribosomes functioning together. In my opinion, I'm a chemist or at least I studied chemistry, ribosomes are amazing molecular machines. They act continuously, and they can make between 15 to 40 peptide bonds in one second. I needed eight hours in the lab. You can imagine what would happen to your life if (laughing). I also needed 100°C and PH of 2. And the ribosomes can do it in every cell under almost all conditions known to support life. They also hardly make mistakes. The numbers in the literature until recently was 1:1,000,000. Today people speak also about 1:10,000. In my opinion both are admirable. The main constellation is an L-shaped double strand with an anti-codon loop that can make codon, anti-codon interactions here like (inaudible 00:02:25). They carry their amino acid far away from here, it’s about 70 angstrom always in all cells, which is coordinated to this one. So the messenger RNA is attracted and bound to the small ribosomal sub-unit, all ribosomes are made of two sub-units no matter from which cell they come. And they exist like two separated sub-units until they start functioning. So the cell has two different sub-units, two separated sub-units. They associate with each other when they have to function. The functioning is first to attract the messenger then to design the first initial codon to be translated into the translating decoding site which is called the P site tRNA site. tRNA binds to there by codon/anti-codon interactions and the proof reading machinery that everything is fine is also here in the small subunit. This is why we call the small subunit the brain of the ribosome. The hands that make the bond are in the large ribosomal subunit and this is universal and no matter which cell we are looking at. So what I just told you is shown here, the small subunit has a narrow part here. In the past also today people like to call this the head and the body and the neck of the small subunit. Messenger wraps around it. The first site to be populated is called P peptide transfer, this is tRNA. Symbolising the tRNA with the amino acid. There is another side that will be occupied afterwards call the A-site tRNA where the tRNA where amino acid will come, amino acid related tRNA. And there is an exit side from where the tRNA will go out afterwards. So once we have this all made, small subunit, messenger and tRNA and initiation factors which I don’t show here, non-ribosomal initiation factors, the large subunit can come. The surface complementary is very good but not perfect. So in order to have it perfect first of all inter-subunit bridges are being made like those. Bi-conformational changes mainly of the large subunit but not only. There are thirteen of those and I symbolise them in three triangles. When everything is fine the P-site tRNA with the amino acid is positioned so the amino acid is on the entrance of a very long tunnel that spans the large subunit. For which the newly born protein will progress and exit. So now everything is ready for the next journey. It will go now more or less sideways to this position and make a peptide bond here, which is the first bond for the newly born protein like that. So now we have a D peptide beginning of the newly born protein of the nascent chain. The first tRNA is now empty, it can go out and a new one can come in. These things happen more or less the same time but I'm just a human being I couldn't draw them at the same time. So that’s the story and it will continue, the translocation from A to B and to E is mainly in this direction. So many ribosomes act together, you can see it here, I must say that I am amazed by this electron microscope grid. Every time I look at it again it's from the ‘70s, I don’t even know who did it. I found it in the literature without reference. It shows many ribosomes, these black things, black bodies, that are bound to the same messenger RNA act continuously. You can see that each of these black things have two subunits, you can see here small large, small large, small large, small large and so on. You can see that they read the same messenger and the protein comes from the other side. The only thing that is not exactly as it happens in the cell is that the protein comes out flat. Within the cell you surely know it falls immediately when it comes out of the ribosome, either alone or with chaperones, with the aid of chaperones. So that’s the story. When we got the first structures we made a movie according to them. So the movie that you will see now was made by art students, based on our coordinates together with us with interpolation between our structure and others as it was known in 2002. So messenger comes to the small subunit, it waits for it and pay attention, now, now it comes and it took it, it’s a big conformation of change. These ones is our initiative factors, the blue ones, initiation factor three and two. The two brought the first tRNA and now we have an initiation complex, the large subunit can come and make bridges by conformational changes. And we have an active ribosome, that will accommodate the tRNAs that are brought by other factors, elongation factors on one side. And help the empty ones coming out on the other side, ribosome is really working. Peptide bond is being made here, the decoding is there. Now we take away the large subunits and you see something that I want to mention. The motion is more or less sideways. But here on the other side of the tRNA there is a conformational change. I just said I won’t be able to talk about it much today, but at least pay attention. So their proxies continues until there is a stop codon. And then the tRNAs being replaced by factors, either release factors or recycling factors. This gold thing that will come in and separate between the two subunits. The tRNAs can go home, the protein can fold, the two subunits can wait for the next job to do. So what you saw in the movie was not very clear, we know now the position of every atom in the ribosome. Molecular weight of the bacteria ribosomes is 2.5m. What you see here rotating is bacterial small subunit. They are more or less the same in all bacteria. Changes are minute, the sediment with the sedimentation coefficient of 30 so we go 30S. Total molecular weight of the small subunit is 0.85 Mega Dalton. And what you see here rotating is the complex, the RNA, the ribosomal RNA is in grey or silver. And in the small subunit of bacteria it contains about 1,600 nucleotides. The curly things, the coloured curly things mainly on the surface are ribosomal proteins. Each of them is now shown in a different colour. There are up to 21 different proteins in this small subunit, it means between 20 ~ 21. And the task of the small subunit to remind you is decoding of the genetic code. The large subunit its task is to make the peptide bond, to make sure that it’s being elongated, the nascent chain is elongated. It means it’s a polymerase and to protect the newly born protein in the tunnel that I showed earlier. Sedimentation 50 S. Total molecular weight is 1.5 millions in bacteria. Two chains of RNA total 3,000 nucleotides, one of them very long, 2,800 and the other the rest. And up to 34 different proteins. When we look at the surface that will come together in the assembled ribosome like that we see that the decoding here in the small subunit and peptide bond formation here and you can see here how they are connected by the tRNA decoding here and peptide bond here, the amino acid is bond here. We can see that the region where things are happening, the two regions here and here are made of RNA, not proteins. Only silver, which tells us that the ribosome is actually a ribozyme. It’s an RNA machine. And this is in good correlation with the ribosome composition. In all ribosomes except in mitochondria the ratio of RNA to proteins is 2:1 it means twice as much RNA. Even in mitochondria where part of the RNA is changed by proteins the active sites are preserved and they are RNA made. And this was suggested by Francis Crick back in the ‘60s was not easily digested by scientists who thought that making a bone its enzymatic reaction and enzymes are known to be proteins. Well, Francis Crick was right! What does it show us? What does it hint at? It hints that first of all usually RNA machine, ribosomes are lousy proteins, not efficient, lousy enzymes. Not efficient enzymes. There are not many known today and all of them are rather slow and sometimes not very selective. The ribosome as I said earlier is an extremely efficient machine. So nature found a way to improve the ribosomes, to improve the RNA machine and make it efficient. Nature can find ways when it’s needed. Second it shows that RNA existed before proteins. I want to talk about it for a second. We think that within this complex ribosome we identified a little, a little piece. It looks here large because we zoom on it but it’s actually not more than 3 or 4% of the whole RNA, of the ribosome depending if it’s bacteria or higher organisms. This region can make the peptide bond and it is in our opinion a remnant of the prebiotic machinery for bonding. That is still functioning today in the modern ribosome. We are very excited about this finding and we are trying now to understand it better and to prove it. On what do we base our thinking? I cannot go into the whole thing now I just tell you the most important two facts. First of all it can make peptide bonds, the whole machinery is there. Second, it has an incredible conservation. So out evolution 98% conservation. The last is that when we look only at that machine from a chemical point of view it is stable, it can make the bond right here and it has orientation that can support itself. So that’s what we call the pocket. Unfortunately I can’t talk about it today. But, from this we studied something, or we can suggest something. It’s a question that the world is busy, what was first the chicken or the egg? The DNA, the genetic code or the proteins? Or the machines of life. Well in our opinion first was the ribosome, not the genetic code, neither the proteins. Okay ribosome is the target for antibiotics, the natural antibiotics are weapons that bacteria from one type uses for eliminating other types. And because the ribosomes are so important producing the proteins they are target for many antibiotics that are of clinical use. Over 40% of the useful antibiotics target protein biosynthesis. We like to compare between the ribosome and antibiotics to David and Goliath. David this little kid had a very small stone and he had to eliminate this huge Goliath that was mainly covered and protected. So he aimed at the forehead because the forehead was exposed and important. He didn’t aim at the hands for instance. He was successful. Because he touched a function, a very important function of sight. The reason that we compare or we like to discuss it like that is the molecular weights. Antibiotics are less than a 1,000 ribosome, bacterial ribosome which are the ribosomes that we want to hamper, they are 2.5m. How does it happen exactly like the stone of David? The antibiotics hit the ribosome at its functional sites. It disturbs the function. So here are some ribosomal antibiotics that are bound in their binding position to the small subunit where the messenger binds or where the tRNA has to be decoded. All those that allow the motion that is associated with it, and in the large subunit again those that allow the motion, you remember in the movie there were hands going in and out. These disturb the motion or in the active site or at the tunnel for which the proteins go. I want to discuss only a few of them. First what you see rotating is the large subunit RNA in blue and all proteins in green. The three colour things inside, the magenta is Chloramphenical that binds to the A-site. To the lower part of the A-site. In yellow is Clindamycin that disturbs the creation of the peptide bond. And in red is Erythromycin that binds to the tunnel. Erythromycin is the first antibiotic that targeted ribosome that came into use. And I want to show where it binds. So first let’s look at the tunnel. Here is the large subunit, with A and P tRNAs in it, a bond will be made here. And the tunnel is highlighted here but modelled polyaniline. So the tunnel has an uneven shape, and near the constriction the narrowest part is the binding point of erythromycin and the family that came afterwards is called macrolides. You can see here what we mean by blocking the tunnel. So protein will be made here, what you see here is a section for the ribosome like we'd like to do with apples. Peptide bond is being made here, protein will go through the tunnel if it’s not stopped by erythromycin. Looking into the tunnel from top this is the large subunit, entrance to the tunnel a little bit lower, erythromycin blocks most of it so protein cannot go through. Macrolides are made of a ring, the normal macrolide erythromycin 14 members and 2 sugars. Erythromycin was found to be a very, very successful and very useful antibiotic when it came into use in the last century, in the middle. But not very stable in acid solutions which is the stomach. And companies modified it to make the stability higher in two positions. I want to show you want happened. The first is looking at entrance to the tunnel, what you see here is the whole RNA of the large subunit. Because the antibiotic macrolides bind only to RNAs, I can show just RNA. Entrance to the tunnel I zoom it erythromycin binding way. To take several more binding modes but all of them are blocking the tunnel with more or less the same way, it shows that there is flexibility even in binding depending on how the experiment was done. However, the binding, the anchors are the same. Addition of clarithromycin better blocker and more stable, addition of a longer arm is roxithromycin that better blocks and is more stable in the tunnel because it has more anchors. And maybe this provides to my understanding only the first time for antibiotics the structural basis for dosing. So in many cases 150mg of roxithromycin twice daily has the same effect as 500mg of erythromycin four times a day. So it’s 1:6, it’s very impressive. So I already say that all antibiotics bind to ribosomal functional sites. I also say ribosomal functional sites are highly conserved. Mandatory for clinical use is the distinction between the pathogen and the patient, we want to kill the pathogen not the patient. So if we target ribosomes without distinction it’s a problem. How do the antibiotics differentiate between patients and pathogen, by subtle differences, I want to show you one. So here is section through the tunnel, these are the tunnel walls. You cut it like that. And you already saw that it has an uneven shape. So in grey is the tunnel. Inside here are all types of structures of antibiotics from the macrolide family, erythromycin family that block the tunnel perfect, almost perfect but always very good. And only one nucleotide is being highlighted A2058 nomenclature according to e-coli. A2058 is the name of the game, it’s adenine in new bacteria. Adenine, erythromycin very high chemical affinity here. All pathogens are new bacteria. So all pathogen can bind this way. Have a look here, this is us, all higher animals. G instead of A in this position. But when there is a G here, this is the only difference when there is a G here there is rejection based on two short contacts and no binding. That’s all. So I showed you how the differentiation is made, now I have to talk about the problem, which is resistance. And resistance is a very, very acute problem in modern medicine. How do the pathogens acquire resistance? Prominent way is to hit the anchors. Like here, you remember 2058 now you see it from the other side. An erythromycin these are good contacts and this is the basis for selectivity. It’s also the basis for resistance. So the bacteria, the pathogens can change their own genome from A to G, or they can make a post translational modification, ERM modification which is methylation in this position. Most mechanisms are really involving the modification of such anchors but there are some that are mediated by remote changes and I want to show you an example. So again you see here the tunnel. You can see it now in the whole ribosome, it is here. And you can see that the tunnel walls are made mainly of RNA but there are two proteins that their tips are getting into the tunnel wall, here you can see here. Macrolide binding site is more or less here, those are below it. Yet, it was found already in the ‘70s that minute mutations in these two proteins L22 and L4 can acquire resistance to erythromycin although L22 and L4 are not part of the binding site. And although the resistant mutants bind erythromycin. So how does it happen? We really wanted to know it, in collaboration with Dr. Janice we got this mutant in the ribosomes that we can crystallise, we have crystals now for the mutants and what we found is that this minute changes did not really change much in the protein position. But triggered a whole chain of changes in the RNA walls. So that the tunnel can now accommodate erythromycin and the newly born protein. So this is a way that we didn’t know about until recently. What do people, companies do in order to combat resistance? I think that always it will be only partially combat, maybe controlling it. Because bacteria wants to live, but what do we do? Sometimes there are new compounds with additional anchors or synergies that have two compounds together. For instance additional anchors or higher flexibility is shown in azithromycin by the addition of one atom. Just compare this to erythromycin almost the same chemistry. And it’s one of the most successful antibiotics, it also works against resistant strains. But I was worried when I heard about it, that the Croatian group developed it. Because if it binds resistant strains that have G instead of A it will also bind to the patient. So what did we get? Luckily I was wrong, and this you can see by comparing the binding of azithromycin to a model for pathogens, the green, and to a model for patients the H. I cannot talk much about it here and now but you can see the binding happens. But sometimes it’s along and sometimes it’s across. This shows that binding, 2058 is only showing if there is binding but not how. Two compounds, there is one commercially available drug called Synercid, it has two compounds, one in the active side and one in the tunnel. You want to see how it binds, here is the tunnel wall one and second they glue each other and they block the tunnel. Make me a bit happier and we looked for another one. So Synercid is what I showed you, this is another one. Two compounds, pair of compounds produced by one drug that goes in Sri Lanka, this is why it’s called Lankacidin and Lankamycin. We found that both of them bind together, that the interaction between them is very strong and they introduce also conformational change. So we have some hopes about that. Also we found that Lankamycin which is binding to Lankacidin is very similar to erythromycin, yet erythromycin is a competitor whereas Lankamycin is a binder. And this gives us a tool to make the coupling better. So a movie that may work of how some of the antibiotics that we know today work, Edeine doesn’t let messenger binding. The next one will be Tetracycline that doesn’t let a-site tRNA binding by occupying the space, the position here. The third one is erythromycin that we discussed. This is erythromycin, the last one is clindamycin that doesn’t let the bond being made. So a minute about inspiration. We are using crystallography I think that you all know that by using x-ray crystallography we can see details that we cannot see otherwise. The idea is we have crystals, we get diffractions in all directions, we collect it and we make if we know how to collect them together and face them we do it correctly, we merge them correctly we get electron density maps and since x-rays are interacting with the electrons we know from there where the atoms are. And I really don’t go into details just see what I mean by diffraction. So here there is a crystal beam comes in, and is diffracted to all types of directions with all types of intensities. But we need crystals. And crystals are entities that have perfect order on three dimensions or almost perfect order. So in salt, sodium chloride is no problem. In the middle of last century people started to get crystals even of proteins and a 6th grader could repeat it so it’s possible, this is lysozyme. That was crystallised even by a child now. But those ribosomes that are so complicated and you saw that they are very flexible. I didn’t say that they deteriorate fast, there was a big question mark when we started actually the question mark was negative. It cannot be done. And these are the reasons that I told you earlier, the most important one in my idea is the marked tendency to deteriorate. They deteriorate very quickly within one to four days in the test tube or in the body. So why did I being young, almost your age, why did I start it? Because I had a chance to read, even not only scientific, I read about the delegation that went to the North Pole and looked at the metabolism of the sleeping bears. And they found that while they were sleeping the ribosomes are orderly packed inside their membranes. ribosomes can be orderly packed. Every bear every winter, it’s not an accident. Why do they do this? This is what I thought because I thought this is the way to keep a large pool of active ribosomes because when they get up they want to do things they didn’t do when they were sleeping and they need proteins. So that more or less what you can see here. I was not the only one that read it, many other groups read it for instance people used this finding in order to make crystals or mono-layers actually on membranes. You know what they did? They took fertilised eggs they put them in the fridge and in three minutes they had this beautiful order. So people thought that the organisation is because of cold, because of cooling, I thought that it’s general stress and it was shown later that also bad diet does it. But anyway this happens in the cell and all what we wanted to do is to make it in the test tube and use ribosomes from bacteria. Not from bears and not from fertilised eggs. So the solution was to crystallise ribosomes from bacteria that live under harsh conditions. And to use procedure that extend the life a little bit, I was lucky, I found a one like this. I want to show you harsh conditions for instance the Dead Sea, the lowest point in the world. It’s in Israel, you can see it from top, you can see it closer. These are salt crystals that come out of the very saturated sea. But even on them bacteria grow. You see here some colonies that grow on the salt, you can see it even better here. The level of water here is much lower, it’s September. This was the level of water in January about 70cm, they still grow. So we found this could be good ones or these that grow in sewages off atomic virus, deinococcus radiodurans that can grow also on dust in hunger, heat, cold because only quarter of it is functional and the other four are packing their DNA and will come into action when one quarter has to be repaired. They also have all the repair mechanisms of the known today. And to use the procedures as I said earlier. Using these procedures we could see even after a day evidence for organisation. This is an electron micrograph of a drop that we put for crystallisation. You see here order. So even we could do it in the lab. So yesterday we talked about persistance and belief. I say faint but solid evidence were given all the way through. I want to show you also only a few of them. So the curiosity was the reason but the evidence was the driving. We wanted to get this picture, in the beginning we got that, and this was for me good enough because it had some evidence for high resolution. And when we cut it, it was very ordered. We looked at it, you see the benefit of working on very large particles is that you can see them in an electron microscope. So we could see the order inside. We needed twenty-five different conditions but it was not difficult it took only four months. Because we devised a way, a matrix to watch it and when we found the region for instance the pH region where we started to see the difference between solubitiy and sedimentation we transferred it to capillaries and look how large the crystals became. Were not still good but we developed. And look how nice they were ordered inside. So I don’t want to tell you about all the types of crystals that you can see from the inside, I will show you in a minute from the outside. We went from this to this, you remember what we desired, I showed in the beginning. So this was our desire. This is the story. In four years after we started we had a few stops first time, still far but much more than in the first days. And then we got really good crystals, many good crystals that could be exposed. We went to synchrotron to measure, these are facilities where particles are being accelerated and we see it on the tangential in stations and measure. And we found six years after we started we had good crystals, very, very fantastic diffraction. But after 0.1 of a second it disappeared. The decay was very large and then we failed here comes the Everest. We climbed an Everest, we have good crystals, fantastic but only there we found the way still very far, the real Everest is still in front of us. So we could stop then, we did not. We thought why is there damage, I can’t go into detail but the main thing is damage happens by x-rays heating peptide bonds or any bonds and we can only try to minimise the progression. We did it by cryo temperature, look at my face when the experiment started. In Stanford 1986, I was not very hopeful. But this was the breakthrough. And today with informants it became routine in the whole world and today almost all the structures are measured this way. So we have wonderful diffraction and the whole world has many more structures. So this is when we introduced cryo-crystallography together with some other developments for phasing and detectors. Please multiply this by thousand and see how many structures are now in the world. PDB, is protein databank deposition, each of them is a structure. So the thanks and I said yesterday that there were only a few people that could grasp the potential of this work. They didn’t really believe like I, they still doubted but they suggested it to the Weizmann Institute President and they let me work for a long time on a project that was considered maybe or may be not. So Sir John Kendrew, Chris Anfinsen and Alex Rich and the president Michel Sela and Haim Harari. The whole work started as I said before in Max Planck in Berlin together with Dr. Wittmann that was crazy about knowing the structure of the ribosomes. He also helped us to have a work in Hamburg near the synchrotron. He died rather early and was replaced by Franceschi and Fucini. Now because we had two research groups at the same time I am thanking for the young members there for their devotion and determination. In good and in more than this bad times. You can see the Hamburg group, with their angels, our technicians and looking for better bacteria in the Dead Sea. And you can see the Israeli group that is still functioning, it’s run by Dr. Anat Bashan, she is the senior scientist. I can’t tell you what everybody did but everybody contributed, what you see here is the collection of the last three years. But I want you to look at Tamara, Tamara Auerbach she came to us thirteen years ago for ten weeks, she’s still there. She came as a bachelor, she’s still, she now has three kids. But the day I took a picture and this is the important thing, she had her birthday and she baked a cake. And this is her cake which shows that for my group cake ribosomes are considered sweet. I also want to thank my family that supported me for the whole time, it’s the whole family but I want to focus on my granddaughter. And the reason I'm doing it is for you young female that hesitate whether it’s possible to do science and have a family. Have a look, you know what she’s saying, this is a speech she gave without telling me in Paris. As you know she’s very busy, she means me, but she always finds time for me. And at age of five she invited me to her kindergarten to explain what ribosomes are. At the age of ten she gave me the most important prize in my life: The grandma of the year is Ada Yonath. There is no year, and she told me I have to reprove myself every year which means it’s a loving but demanding family. When I fail she will take it off. Thank you.

Ich erzähle Ihnen noch etwas mehr über Inspiration. Nach dem gestrigen Tag möchte ich Ihnen unbedingt zeigen, was ich gestern als Evidenz bezeichnet habe, also wie dieses Projekt begann und weiterging. Vielleicht ist das genauso wichtig wie das Ergebnis selbst. Lassen Sie uns also den Mount Everest jenseits des Mount Everest erklimmen. Ich denke, Sie alle wissen, dass das Ribosom die letzte Kette, das letzte Glied in der Kette der Translation des genetischen Codes in Proteine ist. Der genetische Code wird in der Boten-RNA exprimiert, die der DNA sehr ähnlich ist, aber als Einzelstrang existieren kann. Deshalb stehen die Informationen darauf zur Translation zur Verfügung. Ribosomen sind also universell. Jedes Ribosom kann jeden Botenstoff, jede Sequenz in ähnlicher Weise translatieren. In jeder Zelle arbeitet eine Vielzahl von Ribosomen. Säugetierzellen können Millionen von Ribosomen enthalten. Diese Informationen hatte ich anfangs noch nicht. Selbst Bakterien erreichen in der Log-Periode 100.000 Ribosomen, die zusammenarbeiten. Für mich als Chemikerin - zumindest habe ich Chemie studiert - sind Ribosomen erstaunliche molekulare Maschinen. Sie agieren kontinuierlich und sind in der Lage, zwischen 15 und 40 Peptidverbindungen pro Sekunde herzustellen. Im Labor habe ich dazu acht Stunden benötigt. Sie können sich vorstellen, was im tatsächlichen Leben passieren würde, wenn. Ich brauchte zudem 100°C und einen pH-Wert von 2. Die Ribosomen funktionieren aber in jeder Zelle und unter fast allen Bedingungen, die bekanntermaßen Leben unterstützen. Und sie machen kaum Fehler. In der Literatur wurde bis vor kurzem eine Zahl von 1:1.000.000 genannt. Heute spricht man auch von 1:10.000. Aus meiner Sicht sind beide Zahlen erstaunlich. Die Hauptkonstellation ist ein L-förmiger Doppelstrang mit einer Anticodon-Schleife, die Codon-Anticodon-Interaktionen erzeugen kann, hier wie (unverständlich). Von hier transportieren sie ihre Aminosäure über weite Entfernungen - das sind immer rund 70 Angström - in alle Zellen. Diese hier ist genetisch verwandt mit dieser. Die Boten-RNA wird also von der schmalen ribosomalen Untereinheit angezogen und an diese gebunden. Alle Ribosomen bestehen aus zwei Untereinheiten, egal, von welcher Zelle sie stammen. Und sie existieren wie zwei voneinander getrennte Untereinheiten, bis sie zu arbeiten beginnen. Die Zelle hat also zwei verschiedene Untereinheiten, zwei getrennte Untereinheiten. Sie verbinden sich, wenn sie ihre Funktion ausüben. Ihre Funktion besteht darin, zunächst den Botenstoff anzuziehen, dann ein erstes Codon zu entwickeln, das in die translatierende Dekodierstelle translatiert wird, die P-Stellen-tRNA-Stelle genannt wird. tRNA bindet sich dort durch Codon/Anticodon-Interaktionen. Und die Korrekturmaschine, die überprüft, ob alles in Ordnung ist, befindet sich ebenfalls hier in der kleinen Untereinheit. Deshalb bezeichnen wir die kleine Untereinheit als das Gehirn des Ribosoms. Und die "Hände", die die Verbindung herstellen, befinden sich in der großen ribosomalen Untereinheit. Und das ist immer so, egal, welche Zelle wir betrachten. Was ich Ihnen gerade erzählt habe, ist hier zu sehen. Die kleine Untereinheit weist hier eine Verengung auf. Früher und auch heute noch wird dies gerne als der Kopf, der Körper und der Hals der kleinen Untereinheit bezeichnet. Der Botenstoff wickelt sich darum. Die erste zu besetzende Stelle wird als P, Peptid-Transfer, bezeichnet. Das ist das tRNA, es symbolisiert das tRNA mit der Aminosäure. Es gibt eine weitere Stelle, die danach besetzt wird und als A-Stellen-tRNA bezeichnet wird. Sie wird mit der Aminosäure besetzt, der aminosäure-gestützten tRNA. Und dann gibt es eine Austrittsstelle (E), an der die tRNA später austritt. Wenn also das alles vorhanden ist - kleine Untereinheit, Botenstoff und tRNA sowie die Initiierungsfaktoren, die ich hier nicht vorstelle, nicht-ribosomale Initiierungsfaktoren - kann die große Untereinheit dazukommen. Die Oberflächenkomplementarität ist sehr gut, aber nicht perfekt. Zwecks Perfektionierung werden zunächst Brücken zwischen den Untereinheiten gebaut, wie hier zu sehen. Dies geschieht hauptsächlich, aber nicht nur, durch Konformationsveränderungen der großen Untereinheit. Es gibt dreizehn solcher Brücken und ich symbolisiere sie mit den drei Dreiecken. Wenn alles richtig läuft, ist die P-Stellen-tRNA mit der Aminosäure so positioniert, dass sich die Aminosäure am Eingang eines sehr langen Tunnels befindet, der sich auf die gesamte große Untereinheit erstreckt. Über diesen Weg bewegt sich das neu entstandene Protein und tritt aus. Jetzt ist also alles für den nächsten Abschnitt der Reise vorhanden. Diese führt jetzt mehr oder weniger seitwärts zu dieser Position. Und das Protein stellt an dieser Stelle eine Peptidbindung her, die erste Bindung für das neu entstandene Protein. Wir haben jetzt also ein D-Peptid, den Beginn des neu entstandenen Proteins der neu entstehenden Kette. Das erste tRNA ist jetzt leer. Es kann austreten und ein neues eintreten. Diese Vorgänge geschehen mehr oder weniger gleichzeitig. Aber weil ich nur ein Mensch bin, konnte ich das nicht als Gleichzeitigkeit darstellen. Das ist also die Geschichte. Und sie setzt sich fort, die Translokation von A nach B und nach E erfolgt hauptsächlich in dieser Richtung. Viele Ribosomen agieren also gemeinsam, wie hier zu sehen ist. Und ich betrachte dieses Elektronenmikroskopgitter jedes Mal wieder mit Staunen. Es stammt aus den 1970er Jahren. Ich weiß nicht einmal, von wem es stammt. Ich fand es in der Literatur ohne entsprechenden Hinweis. Es zeigt viele Ribosomen, diese schwarzen Dinger hier, diese schwarzen Körper, die an dieselbe Boten-RNA gebunden sind und kontinuierlich agieren. Sie sehen, dass diese schwarzen Dinger alle aus zwei Untereinheiten bestehen, jeweils Klein/Groß, Klein/Groß, Klein/Groß usw. Sie sehen, dass sie denselben Botenstoff codieren, und das Protein kommt von der anderen Seite. Das einzige, was nicht exakt so ist wie in der Zelle, ist, dass das Protein flach austritt. Denn in der Zelle, das ist bekannt, fällt es direkt in sich zusammen, wenn es aus dem Ribosom, entweder allein oder mit Chaperonen, mit der Hilfe von Chaperonen austritt. Das also passiert. Als wir die ersten Strukturen kannten, haben wir einen Film darüber gedreht. Der Film, den Sie jetzt sehen werden, wurde gemeinsam mit Kunststudenten auf der Grundlage unserer Koordinaten und unter Berücksichtigung einer Interpolation zwischen unserer Struktur und anderen, 2002 bekannten Strukturen hergestellt. Der Bote nähert sich also der kleinen Untereinheit (schauen Sie genau hin, jetzt), hier kommt er ... und er hat's geschafft. Das ist eine enorme Konformationsveränderung. Das hier sind unsere vier Initierungsfaktoren, die Blauen, Initiierungsfaktoren 3 und 2. Die beiden brachten das erste tRNA. Und jetzt entsteht ein Initiierungskomplex, die große Untereinheit kann dazukommen und durch Konformationsveränderungen Brücken herstellen. Und wir haben ein aktives Ribosom, das die tRNAs unterbringen wird, die durch andere Faktoren, Elongationsfaktoren an einer Seite, eingebracht werden, und den leeren tRNAs auf der anderen Seite beim Austritt hilft. Ribosomen sind wirklich fleißig. Die Peptidbindung wird hier hergestellt, die Dekodierung erfolgt hier. Jetzt nehmen wir die großen Untereinheiten weg und hier sehen Sie etwas, auf das ich Sie aufmerksam machen möchte. Die Bewegung erfolgt mehr oder weniger seitwärts. Aber weiter unten hier auf der anderen Seite der tRNA erfolgt ein Konformationswechsel. Ich habe eben erwähnt, dass ich hier heute nicht viel dazu sagen kann, aber ich wollte Sie wenigstens darauf aufmerksam machen. Dieser Vorgang setzt sich solange fort, bis ein Stopp-Codon auftritt. Und dann werden die tRNAs durch Faktoren, entweder Freisetzungsfaktoren oder Recyclingfaktoren, ersetzt - dieses goldene Element, das hinzukommt und die Trennung zwischen diesen beiden Untereinheiten vornimmt. Die tRNAs haben ihre Funktion erfüllt, das Protein kann sich falten und die beiden Untereinheiten warten auf ihre nächste Aufgabe. Was Sie in dem Film, den Sie gerade gesehen haben, nicht ganz deutlich wurde: Wir kennen jetzt die Position jedes Atoms im Ribosom. Die Molekularmasse der bakteriellen Ribosomen beträgt 2,5 Millionen. Was sich hier dreht, ist die bakterielle, kleine Untereinheit. Die sind in allen Bakterien mehr oder weniger gleich. Die Veränderungen sind sehr gering, das Sediment verändert sich mit einem Sedimentationskoeffizienten von 30, also 30S. Die Gesamt-Molekularmasse der kleinen Untereinheit beträgt 0,85 Megadalton. Und was sich hier dreht, ist die komplexe RNA, die ribosomale RNA in Grau oder Silber. Und in der kleinen Untereinheit von Bakterien enthält sie rund 1.600 Nukleotide. Die gekräuselten Elemente, die farbigen gekräuselten Elemente, hauptsächlich auf der Oberfläche, sind ribosomale Proteine. Jedes wird jetzt in einer anderen Farbe dargestellt. In dieser kleinen Untereinheit gibt es bis zu 21 verschiedene Proteine, das heißt 20 ( 21. Und die Aufgabe der kleinen Untereinheit, Sie erinnern sich, ist die Dekodierung des genetischen Codes. Die Aufgabe der großen Untereinheit besteht darin, die Peptidbindung herzustellen, sicherzustellen, dass die entstehende Kette verlängert wird - es erfolgt also eine Polymerase - und darin, das neu entstandene Protein im Tunnel, den ich bereits gezeigt habe, zu schützen. Sedimentationskoeffizient ist 50 S. Gesamt-Molekularmasse in Bakterien ist 1,5 Megadalton. Zwei RNA-Ketten ergeben 3.000 Nukleotide, eine davon sehr lang, 2.800, der Rest entfällt auf die andere. Und bis zu 34 verschiedene Proteine. Und wenn wir uns die Oberfläche anschauen, die in dem zusammengebauten Ribosom, wie hier zu sehen, entstanden ist, dann haben wir hier die Dekodierung in der kleinen Untereinheit und die Peptidbindung hier. Und hier sehen Sie, wie sie durch die tRNA-Dekodierung hier und die Peptidbindung hier verbunden sind. Die Aminosäure ist hier gebunden. Wir können erkennen, dass die Region, in der die Dinge geschehen, die beiden Regionen hier und hier, aus RNA bestehen, nicht aus Proteinen. Nur Silber, was darauf hinweist, dass das Ribosom tatsächlich ein Ribozym ist. Das ist eine RNA-Maschine. Und das korreliert gut mit der Zusammensetzung des Ribosoms. In allen Ribosomen, außer in Mitochondrien, ist das Verhältnis RNA zu Proteinen 2:1, also doppelt so viele RNAs. Selbst in Mitochondrien, in denen ein Teil der RNA durch Proteine ersetzt wird, werden die aktiven Stellen erhalten und die bestehen aus RNA. Das wurde bereits in den 1960er Jahren von Francis Crick vermutet und war für Wissenschaftler, die dachten, dass die Entstehung eines Knochen eine enzymatische Reaktion ist und Enzyme bekanntermaßen Proteine sind, schwer verdauliche Kost. Nun, Francis Crick hatte Recht! Was zeigt uns das? Worauf weist es uns hin? Zunächst darauf, dass die übliche RNA-Maschine, dass also die Ribosomen gemeine Proteine sind, keine effizienten, gemeinen Enzyme. Bis heute sind nicht viele bekannt. Und viele davon sind ziemlich langsam und zum Teil auch nicht sehr selektiv. Das Ribosom ist, wie ich bereits erwähnte, ist eine extrem effiziente Maschine. Die Natur hat also einen Weg gefunden, die Ribosomen zu verbessern, die RNA-Maschine zu verbessern und sie effizient zu gestalten. Die Natur findet also Lösungen, wenn es nötig ist. Zum Zweiten zeigt es, dass die RNA vor den Proteinen existierte. Darüber möchte ich einen Moment reden. Wir glauben, dass wir aus diesem komplexen Ribosom ein kleines, ganz kleines Stück identifiziert haben. Es sieht hier groß aus, weil wir es vergrößert haben. Aber in Wirklichkeit macht es nicht mehr als 3 bis 4% der gesamten ribosomalen RNA aus, und zwar abhängig davon, ob es sich um Bakterien oder um höhere Organismen handelt. Diese Region kann die Peptidbindung herstellen und es ist nach unserer Einschätzung ein Überbleibsel des präbiotischen Bindungsmechanismus, der heute noch im modernen Ribosom funktioniert. Diese Entdeckung hat uns sehr fasziniert. Jetzt versuchen wir, diesen Mechanismus noch besser zu verstehen und nachzuweisen. Was liegt unserer Vorstellung zugrunde? Ich kann jetzt nicht auf alles eingehen. Ich nenne Ihnen aber die beiden wichtigsten Fakten. Zum einen kann er Peptidbindungen herstellen. Die gesamte Maschinerie dafür ist vorhanden. Und zum Zweiten hat er eine unglaubliche Erhaltungsrate. Und der letzte Punkt ist, dass der Mechanismus unter rein chemischen Gesichtspunkten stabil ist. Er kann die Bindung genau hier herstellen und hat eine Ausrichtung, die sich selbst stützt. Wir bezeichnen das als Bindungstasche. Leider kann ich darauf heute nicht näher eingehen. Aber ausgehend hiervon können wir weitere Untersuchungen und Vermutungen anstellen. Es geht um eine Frage, die die Welt immer wieder beschäftigt. Was war zuerst, die Henne oder das Ei? Die DNA, der genetische Code oder die Proteine? Oder die Lebensmechanismen? Nun, nach unserer Erkenntnis kam das Ribosom zuerst, nicht der genetische Code, nicht die Proteine. Okay, das Ribosom ist das Target für Antibiotika. Natürliche Antibiotika sind Waffen, die Bakterien eines Typs zur Beseitigung von Bakterien eines anderen Typs benutzen. Und weil die Ribosomen so wichtig bei der Erzeugung von Proteinen sind, sind sie in der klinischen Anwendung das Target für viele Antibiotika. Über 40% der nützlichen Antibiotika zielen auf die Protein-Biosynthese ab. Wir vergleichen das Verhältnis zwischen Ribosom und Antibiotika gerne mit David und Goliath. David, dieser kleine Junge, hatte nur einen sehr kleinen Stein, um diesen riesigen Goliath zu bekämpfen, dessen Körper fast vollständig mit Schutzschildern bedeckt war. Deshalb zielte David auf die Stirn ab, weil sie frei lag und wichtig war, und nicht etwa auf die Hände. Und er war erfolgreich, weil er eine Funktion, die sehr wichtige Funktion der Sehkraft außer Kraft setzen konnte. Der Grund, warum wir diesen Vergleich lieben, sind die Molekularmassen. Antibiotika haben eine Molekularmasse von unter 1.000. Die Ribosomen, die bakteriellen Ribosomen, die wir bekämpfen wollen, haben eine Molekularmasse von 2,5 Millionen. Wie funktioniert dies nun genau? Exakt wie mit dem Stein von David. Die Antibiotika treffen das Ribosom an seiner funktionellen Stelle. Sie zerstören die Funktion. Hier sind einige ribosomale Antibiotika zu sehen, die in ihrer Bindungsposition an die schmale Untereinheit angedockt haben, wo der Botenstoff bindet oder wo das tRNA dekodiert werden muss. Und hier sind alle zu sehen, die die damit verbundene Bewegung ermöglichen, und auch hier in der großen Untereinheit wieder die, die die Bewegung ermöglichen. Sie erinnern sich vielleicht daran, wie sich in dem Film "Hände" herein und heraus bewegten. Diese stören die Bewegung an der aktiven Stelle oder am Tunnel, zu dem sich die Proteine hinbewegen. Ich möchte nur auf einige von ihnen näher eingehen. Zunächst: Was sich hier dreht, ist die große Untereinheit RNA, in blau, und alle Proteine, in grün. Die drei farbigen Elemente innen sind in Magenta das Chloramphelicol, das an die A-Stelle bindet, an den unteren Teil der A-Stelle; in Gelb das Clindamycin, das die Entstehung der Peptidbindung verhindert; und in Rot das Erythromycin, das an den Tunnel bindet. Erythromycin ist das erste auf Ribosom abzielende Antibiotikum, das jemals eingesetzt wurde. Ich möchte Ihnen zeigen, wo es bindet. Lassen Sie uns zunächst den Tunnel anschauen. Hier ist die große Untereinheit mit A- und P-tRNAs im Innern. Eine Bindung erfolgt hier. Und der Tunnel ist hier durch modelliertes Polyanilin hervorgehoben. Der Tunnel hat also eine ungleichmäßige Form. Neben der Verengung, der engsten Stelle, befindet sich der Bindungspunkt von Erythromycin und aller Familien, die danach kamen und die wir als Makrolide bezeichnen. Hier sehen Sie, was wir mit einer Tunnelsperre meinen. Das Protein entsteht also hier, und was Sie hier sehen, ist ein Querschnitt des Ribosoms, wie durch einen Apfel. Die Peptidbindung wird hier hergestellt, das Protein passiert den Tunnel, wenn es nicht vom Erythromycin daran gehindert wird. Ein Blick in den Tunnel von oben: Dies ist die große Untereinheit, der Eingang zum Tunnel ein bisschen tiefer, Erythromycin blockiert den größten Teil, sodass das Protein nicht passieren kann. Makrolide bestehen aus einem Ring. Das normale Makrolid Erythromycin besteht aus 14 Ringgliedern und zwei Zuckern. Erythromycin hat sich seit seiner ersten Verwendung Mitte des letzten Jahrhunderts als ein sehr, sehr erfolgreiches und sehr nützliches Antibiotikum erwiesen. Allerdings verliert es in Säurelösungen, also im Magen, an Stabilität. Deshalb haben die Hersteller das Erythromycin an zwei Positionen so modifiziert, dass die Stabilität erhöht wird. Ich möchte Ihnen zeigen, wie man das gemacht hat. Zunächst ein Blick auf den Eingang des Tunnels. Sie sehen hier die gesamte RNA der großen Untereinheit. Weil die antibiotischen Makrolide sich nur mit RNAs binden, zeige ich nur RNA. Also der Eingang zum Tunnel (ich vergrößere das), der Erythromycin-Bindungspfad. Heute gibt es weitere Bindungsvarianten, aber alle blockieren den Tunnel mehr oder weniger in der gleichen Weise. Es hat sich herausgestellt, dass es in der Bindung selbst eine Flexibilität gibt, abhängig davon, wie man das Experiment durchgeführt wurde. Dennoch war die Bindung, waren die Verankerungen immer gleich. Durch Zugabe eines Methyls entsteht Clarithromycin, ein besserer Blockierer und stabiler. Durch Zugabe eines längeren Arms entsteht Roxithromycin, das den Tunnel besser blockiert und stabiler ist, weil es über eine größere Zahl von Ankern verfügt. Und dies liefert nach meinem Verständnis erstmals die strukturelle Grundlage für eine gezielte Dosierung von Antibiotika. In vielen Fällen hat eine zwei Mal täglich erfolgende Verabreichung von 150 mg Roxithromycin den gleichen Effekt wie 500 mg Erythromycin vier Mal täglich. Also ein Effekt von 1:6, das ist sehr beeindruckend. Wie ich bereits sagte, binden sich alle Antibiotika an ribosomale Funktionsstellen. Ich erwähnte auch, dass ribosomale Funktionsstellen hochkonserviert sind. Entscheidend für den klinischen Einsatz ist die Unterscheidung zwischen Krankheitserreger und Patient. Wir wollen den Krankheitserreger, nicht den Patienten vernichten. Wenn wir also unterscheidungslos auf Ribosomen abzielen, ist das ein Problem. Wie unterscheiden die Antibiotika zwischen Patient und Krankheitserreger? Durch subtile Unterscheidungen, ich möchte Ihnen eine vorstellen. Dies hier ist ein Querschnitt durch den Tunnel, das hier sind die Tunnelwände. Der Schnitt erfolgt so. Und Sie haben bereits gesehen, dass der Tunnel ungleichmäßig geformt ist. Das Graue also ist der Tunnel. Und hier im Innern befinden sich alle Arten von Strukturen von Antibiotika aus der Makroliden-Familie, der Erythromycin-Familie, die den Tunnel perfekt blockieren, fast perfekt, aber immer sehr gut. Aber nur ein Nukleotid ist hervorgehoben, genannt das A2058 nach dem e-Coli. A2058 ist das neue Losungswort. Es ist Adenin in neuen Bakterien. Hier Adenin, Erythromycin mit sehr hoher chemischer Affinität. Alle Krankheitserreger sind neue Bakterien. Deshalb können alle Krankheitserreger in dieser Weise binden. Schauen Sie hier: Das sind wir oder höhere Tiere. G statt A in dieser Position. Aber wenn hier ein G ist, und das ist der einzige Unterschied, wenn hier ein G ist, erfolgt eine Abstoßung, die auf zwei kurzen Kontakten basiert, und keine Bindung. Das ist alles. Ich habe Ihnen gezeigt, wie die Unterscheidung funktioniert. Jetzt muss ich über das Problem reden, nämlich Resistenz. Und Resistenz ist ein sehr, sehr akutes Problem in der modernen Medizin. Wie werden Krankheitserreger resistent? Ein bekannter Weg ist der, es auf die Anker abzusehen. Wie hier, Sie erinnern sich an 2058. Jetzt sehen Sie das von der Seite. Ein Erythromycin, das hier sind die guten Kontakte und das ist die Grundlage für Selektivität. Es ist gleichzeitig die Grundlage für Resistenz. Die Bakterien, die Krankheitserreger können also ihr eigenes Genom von A auf G ändern oder sie können eine post-translationale Modifizierung vornehmen, eine ERM-Modifizierung, bei der es sich in dieser Position um eine Methylierung handelt. Die meisten Mechanismen haben tatsächlich mit der Modifizierung solcher Anker zu tun. Aber einige Mechanismen werden auch über entfernte Veränderungen vermittelt. Ich möchte Ihnen ein Beispiel dafür zeigen. Sehen Sie hier wieder den Tunnel. Sie können ihn jetzt im ganzen Ribosom sehen. Das ist hier. Und Sie sehen, dass die Tunnelwände hauptsächlich aus RNA bestehen, dass aber zwei Proteine vorhanden sind, deren Spitzen in die Tunnelwand reichen. Das sehen Sie hier. Die Bindungsstelle der Makrolide ist mehr oder weniger hier, die Spitzen liegen darunter. Aber man hat bereits in den 70er Jahren herausgefunden, dass winzige Mutationen in diesen beiden Proteinen L22 und L4 eine Resistenz gegenüber Erythromycin aufbauen können, obwohl L22 und L4 nicht Teil der Bindungsstelle sind. Und obwohl die resistenten Mutanten Erythromycin binden. Wie ist das möglich? Wir wollten das wirklich genau wissen. Und in Zusammenarbeit mit Dr. Janice fanden wir diesen Mutanten in den Ribosomen, den wir kristallisieren konnten. Wir hatten also jetzt Kristalle für die Mutanten und fanden heraus, dass diese winzigen Veränderungen nicht wirklich viel in der Proteinposition verändert haben, aber eine ganze Kette von Veränderungen in den RNA-Wänden ausgelöst haben, sodass der Tunnel jetzt Erythromycin und das neu entstandene Protein aufnehmen kann. Das ist eine Möglichkeit, von der wir bis vor kurzem nichts wussten. Was tun Menschen, Hersteller, um die Resistenz zu bekämpfen? Ich denke, es wird immer nur teilweise um Kampf, eher um Beherrschung gehen, weil Bakterien leben möchten. Aber was können wir tun? Manchmal entstehen neue Verbindungen mit zusätzlichen Ankern oder Synergien, die zwei Inhaltsstoffe in Kombination anbieten. Zusätzliche Anker oder höhere Flexibilität gibt es beispielsweise in Azithromycin durch Zugabe eines Atoms. Wenn man das mit Erythromycin vergleicht, hat es fast dieselbe Chemie. Und es ist eines der erfolgreichsten Antibiotika. Es funktioniert also auch gegen resistente Stämme. Aber ich war beunruhigt, als ich hörte, dass die kroatische Gruppe das entwickelt hat. Denn wenn es resistente Stämme bindet, die G statt A haben, wird es sich auch an den Patienten binden. Was würde also passieren? Glücklicherweise hatte ich mich geirrt und das sieht man hier im Vergleich der Bindung des Azithromycins an ein Modell für Krankheitserreger, in Grün, und an ein Modell für Patienten, das H. Ich habe hier nicht viel Zeit darauf einzugehen, aber Sie sehen, dass es zu einer Bindung kommt. Allerdings verläuft sie zum Teil längs und zum Teil quer. Zwei Wirkstoffe ... Es ist ein Arzneimittel mit der Bezeichnung Synercid auf dem Markt, das zwei Wirkstoffe enthält, eines wirkt auf die aktiven Stelle und eines im Tunnel. Ah, Sie möchten sehen, wie die Bindung erfolgt. Hier ist die Tunnelwand, eins und zwei, sie kleben aneinander und blockieren den Tunnel. Das hat mich ein bisschen glücklicher gemacht und wir suchten ein weiteres. Synercid also ist, wie ich Ihnen zeigte, das zweite. Zwei Wirkstoffe, ein Wirkstoffpaar, produziert aus einer einzigen Kultur, in Sri Lanka, darum heißen sie Lankacidin und Lankamycin. Wir fanden heraus, dass sich die Beiden aneinander binden, die Interaktion zwischen ihnen sehr stark ist und sie zudem einen Konformationswechsel initiieren. Wir machten uns also Hoffnung. Wir fanden zudem heraus, dass Lankamycin, das sich an Lankacidin bindet, dem Erythromycin sehr ähnlich ist, obwohl Erythromycin ein kompetitiver Hemmer ist, während Lankamycin ein Bindungshemmer ist. Und das gibt uns ein Instrument an die Hand, mit dem wir die Kopplung verbessern können. Hier ein Kurzfilm darüber, wie einige der uns heute bekannten Antibiotika funktionieren könnten. Edein lässt den Botenstoff nicht andocken. Das nächste ist Tetracyclin, das durch Besetzen der Stelle, der Position hier, ein Andocken am A-Stellen-tRNA verhindert. Das dritte ist Erythromycin, das wir besprochen haben. Dies ist Erythromycin, das letzte ist Clindamycin, das eine Bindung verhindert. Zwischendurch eine Minute zum Thema Inspiration. Wir arbeiten mit der Kristallographie. Dabei - das werden Sie alle kennen - können wir durch Einsatz der Röntgen-Kristallographie Details sehen, die uns ansonsten verborgen blieben. Das Konzept: Mit Kristallen erhalten wir Beugungen in alle Richtungen, die werden erfasst. Und wenn wir sie richtig erfassen und korrekt zusammenführen, erhalten wir Elektronendichtekarten. Und da Röntgenstrahlen mit Elektronen interagieren, wissen wir dann, wo sich die Atome befinden. Und ich möchte hier wirklich nicht ins Detail gehen, sondern Ihnen nur zeigen, was ich mit Beugung meine. Hier ist ein Kristall, auf den ein Strahl auftrifft, der in unterschiedlichen Intensitäten in alle Richtungen gebeugt wird. Aber zunächst brauchen wir Kristalle. Kristalle sind Einheiten von perfekter, dreidimensionaler Ordnung oder zumindest fast perfekter Ordnung. Das ist bei Salz, Natriumchlorid, kein Problem. Mitte des letzten Jahrhunderts haben die Menschen damit begonnen, sogar aus Proteinen Kristalle zu erzeugen. Heute könnte das jeder Sechstklässler wiederholen. Das ist also möglich. Das ist Lysozym. Der wurde tatsächlich von einem Kind kristallisiert. Aber diese Ribosomen sind so kompliziert und, wie Sie gesehen haben, sehr flexibel. Ich habe noch nicht erzählt, dass sie schnell zerfallen. Das war ein großes Fragezeichen, als wir anfingen. Ehrlich gesagt, waren die Vorzeichen negativ. Das wird nicht funktionieren. Und die Gründe dafür habe ich Ihnen bereits erklärt. Der wichtigste Grund ist meines Erachtens die offensichtliche Tendenz zu zerfallen. Sie zerfallen im Reagenzglas ebenso wie im Körper sehr schnell, nämlich innerhalb von einem bis vier Tagen. Warum habe ich das dann in jungen Jahren (ich war ungefähr in Ihrem Alter), warum habe ich das überhaupt versucht? Weil ich die Möglichkeit hatte zu lesen, nicht nur wissenschaftliche Texte, und so las ich etwas über die Delegation, die zum Nordpol aufbrach und sich mit dem Stoffwechsel von Bären im Winterschlaf beschäftigte. Und diese Wissenschaftler fanden heraus, dass die Ribosomen während des Schlafs ordentlich innerhalb ihrer Membranen verpackt sind. Ribosomen können ordentlich verpackt sein. Bei jedem Bär, in jedem Winter, es ist kein Zufall. Aber warum ist das so? Das ist, dachte ich, eine Möglichkeit für die Bären, einen großen Bestand an aktiven Ribosomen vorzuhalten, weil sie nach dem Erwachen aus dem Winterschlaf Dinge tun möchten, die sie während des Schlafes nicht tun, und dafür benötigen sie Proteine. Und das ist mehr oder weniger das, was hier zu sehen ist. Ich war nicht die Einzige, die das damals gelesen hat. Viele andere Gruppen lasen das ebenfalls. So wurden diese Erkenntnisse beispielsweise von Forschern genutzt, um Kristalle oder sogar Monoschichten auf Membranen herzustellen. Sie möchten wissen, wie? Sie nahmen befruchtete Eizellen, legten sie in den Kühlschrank und nach drei Minuten hatten sie diese wunderbare Ordnung. Deshalb dachten die Menschen, dass diese Organisation aufgrund der Kälte entsteht. Und ich dachte mir, dass genereller Stress die Ursache ist. Und später wurde nachgewiesen, dass auch eine schlechte Ernährung zu diesem Ergebnis führt. Aber egal, es passiert in der Zelle, und alles, was wir wollten, war, es im Reagenzglas zu wiederholen und Ribosomen von Bakterien zu verwenden. Nicht von Bären und nicht von befruchteten Eizellen. Die Lösung bestand also darin, Ribosomen aus Bakterien zu kristallisieren, die unter rauen Bedingungen leben, und ein Verfahren anzuwenden, das ihr Leben ein bisschen verlängert. Glücklicherweise konnte ich ein solches Verfahren am Weizman Institute entwickeln. Ich möchte Ihnen raue Bedingungen zeigen, hier beispielsweise das Tote Meer am tiefsten Punkt der Erde. Es befindet sich in Israel. Hier sehen Sie es von oben und hier aus der Nähe. Das hier sind Salzkristalle, die aus dem sehr gesättigten Meer stammen. Aber selbst darauf wachsen Bakterien. Hier sehen Sie einige Kolonien, die auf dem Salz wachsen. Hier sind sie sogar noch besser zu sehen. Der Wasserstand ist hier wesentlich geringer, es ist September. Dies war der Wasserstand im Januar, ungefähr 70 cm. Und sie wachsen weiter. Deshalb dachten wir, diese wären gut, oder solche, die in Abwässern mit atomaren Viren wachsen. Der Deinococcus radiodurans, der auch auf Staub, bei Hunger, in Hitze und in Kälte gedeiht, weil nur ein Viertel von ihm funktional ist, während die anderen Vier ihre DNA verpacken und erst aktiv werden, wenn ein Viertel repariert werden muss. Sie verfügen zudem über all die Reparaturmechanismen, die heute bekannt sind. Und wir wollten die Verfahren verwenden, die ich bereits beschrieben habe. Mit Hilfe dieser Verfahren fanden wir bereits nach einem Tag Hinweise auf ein Organisationsprogramm. Dies ist das Elektronenmikroskopbild eines Tropfens, den wir zur Kristallisation genommen haben. Hier sehen Sie die Ordnung. Es war also sogar im Labor möglich. Gestern sprachen wir über Ausdauer und Glauben. Während der gesamten Zeit gab es schwache, aber immerhin handfeste Beweise. Ich möchte Ihnen auch in diesem Fall nur einige zeigen. Die Neugier war also der Grund, aber die Evidenz der Antrieb. Wir wollten dieses Bild erhalten. Anfänglich erhielten wir dieses Bild. Und mir hat es gereicht, weil es konkrete Anzeichen für eine hohe Auflösung enthielt. Und als wir es durchschnitten, ergab sich ein sehr geordnetes Bild. Wir schauten uns das an. Das ist der Vorteil der Arbeit mit sehr großen Teilchen, weil man sie in einem Elektronenmikroskop sehen kann. Also konnten wir die Ordnung im Innern sehen. Wir brauchten 25 verschiedene Bedingungen, aber es war nicht so schwierig. Es dauerte nur vier Monate, weil wir einen Weg, eine Beobachtungsmatrix gefunden hatten. Und als wir die Region, beispielsweise die pH-Region, fanden, in der wir den Unterschied zwischen Löslichkeit und Sedimentierung zu sehen begannen, übertrugen wir das auf Kapillare. Und sehen Sie, wie groß die Kristalle wurden. Das war immer noch nicht gut, aber wir arbeiteten weiter daran. Und schauen Sie, wie schön sie im Innern geordnet waren. Nun, ich möchte Ihnen nicht alles über all die Kristalltypen erzählen, die von innen zu sehen sind. Ich zeige Ihnen gleich noch, wie es von außen aussieht. Wir gingen also diese Schritte. Sie erinnern sich, was wir vorhatten. Ich zeigte es Ihnen zu Beginn. Vier Jahre nach unserem Start hatten wir zum ersten Mal einige Flecken, immer noch weit entfernt vom Ziel, aber wesentlich mehr als in den ersten Tagen. Und dann haben wir wirklich gute Kristalle erhalten, viele gute Kristalle, die exponiert werden konnten. Wir führten Messungen im Synchrotron, also einer Einrichtung durch, in der Teilchen beschleunigt werden. Und wir sahen es auf der Tangentialen in einzelnen Stationen und Maßstäben. Und sechs Jahre nach unserem Beginn hatten wir gute Kristalle, eine sehr, sehr phantastische Diffraktion, die aber nach 0,1 Sekunde verschwand. Der Zerfall war enorm. Wir hatten also unser Ziel nicht erreicht. Und hier kommt der Mount Everest wieder ins Spiel. Wir hatten den Mount Everest erklommen. Wir hatten gute Kristalle, phantastische Kristalle. Aber dann stellten wir fest, dass der echte Mount Everest immer noch vor uns lag. Wir hätten an dieser Stelle aufhören können, aber wir haben nicht aufgegeben. Wir machten uns Gedanken darüber, warum dieser Schaden auftritt. Ich kann das hier nicht im Detail beleuchten. Wesentlich ist, dass der Schaden durch Röntgenstrahlen verursacht wird, die Peptid-Bindungen oder andere Bindungen erhitzen. Und wir konnten nur versuchen, die Progression auf ein Minimum zu reduzieren. Wir haben das Problem mit Kryotemperatur gelöst. Hier sehen Sie meinen Gesichtsausdruck, als wir das Experiment 1986 in Stanford begannen. Ich hatte keine große Hoffnung. Aber das war der Durchbruch. Und heute ist dies, so hört man, weltweit zur Routine geworden. Heute werden fast alle Strukturen in dieser Weise gemessen. So haben wir also jetzt eine wunderbare Diffraktion. Und die ganze Welt ist um noch wesentlich mehr Strukturen bereichert. Das war also der Punkt, an dem wir die Kryokristallographie zusammen mit anderen Entwicklungen zur Phasierung und für Detektoren einsetzten. Multiplizieren Sie das bitte mit 1.000 und sehen Sie, wie viele Strukturen heute in der Welt bekannt sind: Die PDB, die Protein-Datenbank-Deposition, jedes davon ist eine Struktur. Vielen Dank also. Und ich sagte gestern bereits, dass es nur wenige Menschen gab, die das Potenzial dieser Arbeit damals erfassen konnten. Und die waren lange nicht so überzeugt von der Idee, wie ich selbst. Sie hatten Zweifel, aber dennoch schlugen sie es dem Präsidenten des Weizman Institute vor und ließen mich lange Zeit an einem Projekt arbeiten, das sowohl für möglich als auch für unmöglich gehalten wurde. Hier sind Sir John Kendrew, Chris Anfinsen und Alex Rich sowie die Präsidenten Michel Sela und Haim Harari zu sehen. Das ganze Projekt nahm seinen Anfang, wie ich bereits erwähnte, am Max-Planck-Institut in Berlin - zusammen mit Dr. Wittmann, der die Struktur der Ribosomen unbedingt enträtseln wollte. Er half uns auch dabei, in Hamburg in der Nähe des Synchrotrons arbeiten zu können. Er starb sehr früh und seine Nachfolger waren Franceschi und Fucini. Wir hatten zwei Forschungsgruppen gleichzeitig und ich danke den jungen Mitgliedern dieser Gruppen für ihr Engagement und ihre Entschlussfreudigkeit - in guten wie in (viel öfter) schlechten Zeiten. Und hier sehen Sie die Hamburger Gruppe mit den Engeln, unseren Technikern und auf der Suche nach besseren Bakterien im Toten Meer. Und hier sehen Sie die israelische Gruppe, die unter Leitung von Dr. Anat Bashan, der leitenden Wissenschaftlerin, immer noch besteht. Ich kann Ihnen hier nicht im Einzelnen erklären, was jeder getan hat, aber jeder hat seinen Beitrag geleistet. Was Sie hier sehen, ist eine Zusammenstellung aus den letzten drei Jahren. Ich möchte, dass Sie sich Tamara anschauen, Tamara Auerbach. Sie kam vor dreizehn Jahren für zehn Wochen zu uns, ist aber geblieben. Sie kam als Bachelor. Sie ist immer noch da. Sie hat jetzt drei Kinder. Aber an dem Tag, als ich diese Aufnahme machte, und das ist wichtig, war ihr Geburtstag und sie hatte einen Kuchen gebacken. Und das hier ist ihr Kuchen, der zeigt, dass für meine Gruppe Ribosomen wie Süßigkeiten sind. Ich möchte auch meiner Familie danken, die mich die ganze Zeit unterstützt hat, der ganzen Familie. Aber ich möchte mich hier auf meine Enkeltochter konzentrieren. Und das tue ich wegen all der jungen Frauen, die sich nicht sicher sind, ob es möglich ist, Wissenschaft zu betreiben und eine Familie zu haben. Schauen Sie hier, das ist eine Rede, die sie in Paris hielt, ohne mir vorher davon zu erzählen. Wie Sie wissen, ist sie sehr beschäftigt. Aber dennoch findet sie Zeit für mich. Und als sie fünf war, lud sie mich zu sich in ihren Kindergarten ein, weil ich dort erklären sollte, was Ribosomen sind. Im Alter von zehn verlieh sie mir den wichtigsten Preis meines Lebens: "Großmutter des Jahres ist: Ada Yonath" - ohne dabei eine Jahreszahl zu nennen. Und das begründete sie damit, dass ich mich jedes Jahr aufs Neue zu bewähren hätte. Ich habe also eine liebende, aber auch fordernde Familie. Wenn ich nicht mehr kann, wird sie übernehmen. Vielen Dank.

Ada Yonath ends her talk on "Climbing the Everest Byond the Everest" directly addressing the young women in the audience who wonder whether it’s possible to do science and have children.
(00:40:25 - 00:41:26)

The complete video is available here.

Two women, Elizabeth Blackburn and Carol Greider, shared the 2009 Nobel Prize in Physiology or Medicine with a male colleague, Jack Szostak, for the discovery of how chromosomes are protected by telomeres and the enzyme telomerase [27]. Early studies on the fruit fly and maize revealed special structures at the ends of chromosomes, called telomeres, that prevent them from fusing to one another.

In 1982, Blackburn and Szostak observed that a DNA sequence repeated several times at the end of chromosomes from Tetrahymena, a unicellular ciliate organism, had a protective effect against chromosome degradation. Later, the repeating sequence was found to be telomere DNA, which is present in most plants and animals. Research in the 1970s brought up the end-replication problem associated with telomeres, which observed that a small piece of telomeric DNA is lost after each cell division [28]. Eventually, cell death would occur after all the telomeric DNA was gone.

In reality, however, the number of repeating sequences at the ends of chromosomes varied throughout its lifetime, both shrinking and growing. In the following clip from her 2015 Lindau lecture, Blackburn describes how work with her graduate student, Greider, led to the discovery of telomerase, which extends telomere DNA.

Elizabeth H. Blackburn (2015) - Telomeres: Telling Tails

It's truly a pleasure to be here again, at Lindau, and to have such wonderful interactions with all of the young scientists! So, what are telomeres, and more importantly, why would you care about it? So, I thought in the next half hour I'll take you through the journey that I had and which many others are continuing into, which has been a journey all the way from pond scum, rather unlikely journey to take us to something in humans, that we can call, the mind. And the general message and what comes out of this, quite surprisingly, from this journey, was implications of telomere maintenance for human health and disease. So, I'm going to tell you how I started on this journey, what took us into it, and then all of the things that have grown out and there are questions, of course, that'll be still exciting to answer. So, if we looked inside a cell that was about to divide, and took a picture of the chromosomes, which you can see in blue, you would see that the cell is about to divide, so all the chromosomes have replicated, so the DNA which is all compacted and looking blue, you can see is actually discernibly double. And at the end of the chromosomes, each end of each of those replicated chromosomes, you can see that there's a little blob. And that's actually lighting up the telomere. And what the telomere does, was for long time sort of known just by, a blob, but it was very functionally important It was known that it was actually protecting the end of the chromosome in ways that protected the genetic material, and without something, whatever that was, a protective structure, at the end of the chromosome, that chromosome could become very unstable, lose information, sometimes even stick by its ends to other chromosomes. Not good news! So, the telomere was a kind of a cap, capping off the end of the chromosomes. So, there was a mystery though. What was this blob? How could we answer that question? It required being able to get your hands on the molecules. And so, this is where the pond scum came in, because this little creature, called Tetrahymena thermophila, is a beautiful single-celled organism, it's lit up green, but it's not actually green. It lives in pond scum, but the point is, it has lots of very tiny and linear chromosomes. So, lots of ends per rest of the DNA. So, that enabled me to very directly analyse it molecularly and found out, sort of surprising, there was this very simple DNA sequence. It wasn't coding for proteins or anything, and the simple sequence was just repeated, over and over again. I'll show you an example in a moment. So, this was very curious and then we found that this was more general, this wasn't just confined to this wonderful creature, it was in yeast too, and that was work that we did together with Jack Szostak. And I collaborated with Jack and we found that, oh, it extended to yeast. And then, more and more people looked and found that actually, for eukaryotes, which have linear chromosomes, and, by the way, you're going to wonder about bacteria, they're just so much smarter, they have circular chromosomes, they don't worry about this stuff. So, we're talking about the eukaryotes, all of us, all the way down from us to pond scum. So, this is at every end, and this is the little repeat motif that you see at our ends. Now, in fact, there's much much more than I've shown, there's thousands and thousands of DNA building blocks, but the point is they make a scaffold, and that scaffold is a protective sheath of special protective proteins. And the point is, it has to be a big enough scaffold for that accretion of protective proteins, which are very well studied. I'll give you some names soon, that it has to be big enough to make a true protection. Now, that it has to be big enough. Okay, there was another mystery, and this was a real zinger, because people knew how DNA was replicated, they knew the machinery by the 1970s, and there was a real problem here, because the beautiful machinery that replicates all the rest of the chromosomal DNA is stupid enough that it can't replicate the very end. It's just the way it's built! So, if you just took this to its logical end, excuse the pun, it would be the, every time you replicated the DNA, you'd lose something from the end! And as the cells divided and replicated each time telomeres would get shorter and shorter and shorter. This would not be a great idea! And, in fact, it was predicted, perhaps this would lead to some kind of finishing off senescence, if you will, of the cells. But nobody knew what might be going on. So, at least we knew by then that the telomeres had repeated DNA at the ends, but also another observation was that they would, the numbers of repeats were actually more fluid, they were going up and down and changing at the ends of different chromosomes. Hmm, this was much more dynamic! Now, the shrinkage we could understand, the growing, that was weird! So, anyway, bottom line was that I decided that we should hunt for an enzymatic activity that maybe was adding DNA to the ends. So, very simply, here's what Carol Greider and I succeeded in doing: We made a synthetic little piece of telomere DNA, the little building blocks you can see here, from this Tetrahymena, the one that had lots and lots of linear chromosomes, so I thought maybe it has lots of something that makes those linear chromosome ends, and you could make the right sorts of extracts from these cells, and do it by chemical reaction, and just put in two building blocks, notice that the telomere DNA is just of these two in this species, and you could make that synthetic DNA grow. So, when we examined this a whole lot, we found it was a fascinating thing. It was putting on these nucleotides, doing something that normal cells were not thought to do. It was copying a bit of an RNA sequence information into complementary nucleotides added on to the DNA end, thereby elongating the DNA. So, this RNA is much bigger than this short sequence portion of it, but this RNA is built-in to this enzyme, which is partly protein and partly RNA. And the RNA helps the reaction, but it also provides this short portion of it as a template. Okay, so we're in the course of studying all of this mechanism, when serendipity happens. Okay, so, for various reasons we were making very precise mutations in the telomerase RNA, and we happen to make one at a particular place, which had actually an effect that was really useful for us. It kind of came back at the enzyme and made it stop. So, what that enabled us to do was ask a question, "How do cells feel if their telomerase isn't working well?" We had been doing things in the test tube and, lo and behold, we could go to Tetrahymena, which, I didn't tell you, but it's a lovely organism because it grows immortally, it just divides and divides and divides, so long as you feed it right, talk to it nicely, it'll keep dividing. Okay, and it had, as I showed you, relatively plenty of telomerase. So, the telomeres got a little bit shorter and longer, but there they were. So, what would happen if, we know inactivated it, using this very precise, surgical stiletto at the heart of the enzyme? It made it stop. And what happened is that the telomeres slowly shortened, took about 20 cell divisions, and then the cells simply stopped dividing. So, now our immortal cell, if you will, we'd turned it into a mortal cell. We had in fact, dealt it a mortal blow right at its heart. It now no longer was immortal, we just done this very simple, we knew what we were doing, we mutated just the telomerase, and it became mortal. So, the conclusion was then, the cell needs plenty of telomerase, it has it and it balances the shortening. Now, the shortening still happens, but the balances that you get, elongation when you need it, so these cells can keep going. Okay, so, now we'll go forward to lots and lots more work for many many different groups and synthesize what we now know is a much more complicated situation. Although the essence of what I told you, hang on to that, because that's exactly what's going to hold through all of what I'll tell you as we now move to thinking about this, essentially always from now and in humans. So, we have the RNA components, it's got a name, hTERC. We have a protein, which carries out this Reverse transcriptase, the core protein, hTERT, TERT, and that's the basic part of it! Now, what's known in humans is that this is extraordinarily complicatedly controlled. You don't have to read all of this, this is just to tell the aficionados that every kind of molecular control mechanism you can think of for the action of this enzyme, to make it more or less active, you can think of it'll be doing it. Telomere proteins themselves protect the telomere from too much telomerase action. They actually ration it a little bit. Telomerase levels, how much telomerase is made of the telomerase genes? How much the RNA products of the telomere transcription, telomere gene transcriptions are actually put into different spliced forms? How much they're assembled into the enzyme? Etcetera, etcetera. Okay, you get the idea, it's really complex how on earth we're going to work out which of these ones is actually the important ones, in humans. They're all doing something, somewhere. So, what you have to do, is you actually have to look in actual humans. And this is where it's really important to now think about scale of time, because humans, you might remember, we have a life expectancy, in many developed countries around the world, to something like, approaching 80 years. So, we can look at our experimental models, like a mouse, but it only lives for two years. And you look at a fruit fly, it's only about six weeks, and a worm, and it's only about three weeks. So, while we all have the same molecular and cellular building blocks in our cells, how that plays out in the whole organism is going to be on this very, very different time frame. And you don't know that what might be the critical rate limiting aspects of it, are going to be the same from organism to organism. And in fact, I'll tell you, each of those model organisms, the mouse, the worm, and so on, they don't die when they die of old age, they don't die of short telomeres. But they're on a really different time frame from us, so we have to look in us. Luckily, we can measure telomeres, we can take blood samples, we can take other samples. Commonly blood, sometimes just spit, our saliva, filled with useful cells, we can get a window inside our body, We can measure the telomeres and there's nice methodologies for doing that. I won't go into it, but I'm just tell you, you can measure in various ways and get good, reliable numbers out. So, bottom line is, what do we find? Well, we start off with about 10,000 nucleotides worth of these repeats. Really nice, long telomeres when we're born but by the time we get really old it's down to about half of that. Now, that half of that might sound like plenty to you, but what it's doing is it actually is now putting the cells in grave danger, because that protective sheath is no longer big enough. And what happens then, in humans, is really interesting. And there was no real reason to think this would be the case, because the telomeres gradually shorten as you look at most cell types, as we go through our decades and decades and decades, and the cells we gestate, called Senescence, which is a signal that those overly short telomeres cell send to the cells, and the say, "Stop!" And they say to do some other things too, that I'm going to tell you, but, first of all, they stop even multiplying, so if it's a replenishing cell type, it's not going to anymore. So, of course here was this gradual process, it's taking place over years. Is it like a life candle burning down, causing, eventually, is it related to our death? That's the question! Here was the cellular part of it, on this side and what was going on down here, what was going on in our whole lives here. So, and remember you've got that highly highly regulated telomerase, and now you could've imagined, well it could be saving things, but it isn't, it isn't doing a great job! It is good in certain cells, like certain cells that have to keep replenishing tissues over life, it's not bad, but not perfect. Luckily, it's really good in the cell lineages that give rise to our germ lines, otherwise we wouldn't be here. So, it does get maintained throughout our germ line, the sperm and egg-producing cells, that produce each of us and all our forebears and all our descendants. So, that's good, but it's pretty low in our body cells, in the many, many cell types. Now, there's also another variation, remember, I said this is complex. Turns out that human cancers, which of course, what are they, they're cells that just keep going and shouldn't keep going. They're not necessarily immortal, but they certainly are doing way too much replicating. They love their telomerase, and they actually rev it up really high. But they do a lot of other very bad things, too, as you know about cancers. Okay, so there we've got the situation in humans. How is all this going to play out? Now, we know a lot about the consequences of what happens if you look inside a cell and ask about the telomere. So, here we've got a nice human cell, looking at it under the microscope, so coiled up inside the nucleus, is all the chromosomes in purple, and out, filling the cytoplasm volume, lots of it is the mitochondria, which of course are the energy powerhouses of the cells. So, now we have 92 telomeres, 46 chromosomes, 92 telomeres, and so, here's one. Now, what is going to happen over life is that telomere in cells as they replicate, and even just as they undergo damages, you'll see, they will get shorter and shorter and now it will become too short and become uncapped. Now, that telomere is not silent, it talks to the cells, and one thing it talks to is mitochondria, and actually pushes them down, through a set of signalling molecules. Makes them less good. When mitochondria are not doing all their wonderful energy stuff really well they can start malfunctioning and producing reactive oxygen species. Really bad news, and particularly bad news for telomeres, and it actually sets up this vicious cycle, where telomeres can get even shorter. So, I've just shown one, but there are 92 and variously, they can get worse and worse. So, this is bad enough for the cell itself. But, these things are like these cells now, with these Uncapped Telomeres sending these signals, they're like a rotten apple in a barrel. They can now start affecting other things, because what happens is, another of a kind of signals that this Uncapped Telomere, which is a very worried telomere, is sending, is, for whatever reason, it is sending alarm signals which include secreting outside the cell. Factors that include those that are increasing inflammation. Now, through a whole series of things that go on in the wonderfully complex immune system, that also can up the body's reactive oxygen species, too. So, you've got even worse situation. Okay, so you can see a senescence cell with telomere damage is not a really good cell to have! So, this kind of cellular pathology is quite well studied, in cells and also in certain mouse models and so on. And there's every reason to think that it would go on if you get such cells in humans, as well. So, now let's say, well let's look at some consequences of what happens to telomere length. So, now, we had the good fortune to join a very large cohort project and we could measure telomere length in 100,000 people, so we can really start to get some good ideas about what happens in humanity, and first of all in a part of California. So, the first thing we did, was we looked at telomere length in 100,000 people just in spit samples. So you've got a nice sampling of cell types in the body. You look, just looked at average, over time, as people got older and older it was just one time point for each person, and what you saw was what I told you! There was this gradual decline. But then we saw something really interesting! Now, let me point out most mortality in this population is happening around here. So, you got this decline, most of the mortality, overall is around here. But there are people who you can see are surviving longer and longer. Now, it's just one time point, but what you see is the longer a person has survived, the more likely they are to have an average telomere length that's longer. So, this is very, very interesting, because it never been seen before! We replicated that males and females are different. But we did show that the difference, which is a bit less before about age 50, it sort of really splits off, between females and males. And then after this critical time, when most of the mortality, just population mortality happens to both of them show these sort of rises. So, really interesting. But now we can say what will happen if you actually ask if this has any consequence or any predictive value. And so, the DNA was taken in the year 2009, so the clock tick, and by 2012 you could go to the records and say who was still alive. And who had died in that time period. And then compared that, as a function of what were the telomeres like at the beginning. And, lo and behold, if you looked at the people in the bottom quartile and set their likelihood of dying to one, just as a reference, then you found that anybody whose telomeres where in the other quartiles, that is people whose telomeres three years earlier, or within that three year period you looked at deaths, you just found that, oh, longer telomeres actually had a decrease chance that you would be in that group of people who had died, within three years. We saw that age and sex clearly have an effect, so the blue line's actually, the blue bars show that that was already corrected for. But we also know that a lot of other things affect mortality. A lot of other things also affect telomere length. And we know what they are, and we can get the major ones out, and here's the big list. We did the age and gender, age and sex, race-ethnicity, education, cigarette packyears history, physical activity habits, alcohol intake, body mass index and so on, and, doesn't budge. What that's telling you is this is independent. This is a very diverse group of people, but California's, but you know Californians, meh, you know (laughs). Right, so, let's look at some serious, sober Danes, and see if the same thing happens. This is the Copenhagen study, Rode et al. published this beautiful work where they looked at 64,000 people's blood cell telomeres, just average telomere length, baseline and then time goes by and they looked at a bigger range but the average was about seven years, so longer than what we'd looked at. And they said, of those many people who did die, how many, in which telomere length category to begin with, how many had died? So, in other words, the same question, does the chance of you dying within that period of averaging about seven years, does the chance of you dying have any relationship to the telomere length, at the beginning of the baseline analysis? And, lo and behold, again, after correcting for all of these multiple possible variables that's called the Multivariate Adjusted, this is what this is, referring to telomere length shortness, as you see trends as worse and worse chance that you will have been in the group of people who died, the shorter the telomeres are, and it's a real kind of a trend. So, we get the message now, we got big studies, I think it's pretty clear. Reduced mortality, and I've shown you all causes is related to the observation, just observing the telomere length in people. Didn't show you the data from Rode at al.'s study and from others, that actually, when you start to divide it down into some of the major killers of the elderly, cardiovascular, all-cancers lumped together for the moment, all of those are related to reduced mortality from those causes, as well, are all related to observed having longer telomeres. Okay, and though the news is good too about longer telomeres in another parameter we care about. Well, lifespan, that's one thing, we want to know how long, how many years of healthy life we'll have, how long is our, quote, healthspan. And, in fact, again you see a relationship, here's a bit of numbers, but the point is they're related. Now, you can see another thing. You can say, now let's go the other way, what about bad news? What about diseases and shorter telomeres? Do we see a relationship? And the relationship goes in that direction, shorter telomeres correlate with, not only just finding an association, but actually also predicting, like I saw, I showed you predicting mortality, predicting, getting some disease, and there's a whole group of these diseases, and you can see they're very common kinds of impairments and diseases that happen with aging. Now, the observant of you have been noticing something, all of these arrows have double heads. I haven't said anything about causality yet. That's what we'd like to know! So, genetics! Genetics is wonderful because it gives us, if we can see a gene we can attribute a gene, especially one whose function we know, we can say causality. And wonderful beginning began in 2001, Vulliamy et al. found that if people inherit in families a mutation, fortunately rare, which is in the a Telomerase RNA Gene, remember that hTERC that I told you about, that RNA component of telomerase. If you have a mutation that knocks your telomerase down to half of its normal level, there's a very clear causality, we know what hTERC does, it's part of telomere maintenance, and people get really really short telomeres. Now the point is that really matters, there's a clear disease impact, related to how much the telomeres shorten. And the first things they've found were a bunch of very interesting diseases, they already showed certain overlapse with some of the diseases, which just occur in the population with aging. Here, we've got real causality, now, it's a bit extreme, these people are very much more likely to die much earlier, and as the telomeres get shorter and shorter, going down through the generations, because the short telomeres get passed down from person to person, they get worse and worse and die, sadly, earlier and earlier. So, the causality is extremely clear, but it is kind of extreme. Now, the genetics has just grown and grown since 2001, so more genetics has told us the same story, but really filled it out! So, again, inherit a rare mutation, half the telomerase level or other ways of reducing telomere maintenance, not only reducing telomerase levels, but also other ways that you can reduce it, which are to do with directly binding telomere proteins. So, what you see though is exactly what I showed you, but now, because there's more and more cases round the world there are various family pedigrees, people really, they find these sorts of things and the list now has got longer! So, now it's starting to even broaden out to neuropsychiatric diseases, very interestingly. This is looking like the big set of things that can happen, it doesn't all happen in one person. It varies on how much shorter the telomeres have got with succeeding generations. The genes though, and this is just for the specialists who'd like to look and say, "Yes, what genes are they?" Well, there's 11 of these now, six of them are related to telomerase itself or the biogenesis directly of telomerase, and there are five now, which are known telomere binding proteins. So, we know exactly what these things do, they are directly doing telomere maintenance. So, we got real causality here. So now let's look at the rest of us, who are fortunate enough not to have been afflicted with these rare, although extremely informative mutations. Now you can say, well, what about common alleles that actually just impair our telomere maintenance a bit? We had a wide range of telomere lengths, by the way, those means that I showed you with age, they're much much tighter than the actual range of telomere lengths at all ages. But you can do statistics on large numbers and in this beautiful study, looking at just what genes are associated with having shorter telomeres in the population at large. So, causality, because genes cause things. What was amazing was, the five top hits were our old friends, the known telomere telomerase genes. So, this was very clear, we know just what these do! And then they said, well, if you look at these alleles that actually are related to the shorter telomeres, and these are common ones, that can occur in all sorts of combinations in any of us, is there a disease impact? And there was, in cardiovascular in a particular form, coronary artery disease, and so, in fact, if you added up the short version alleles for each of these genes plus a couple more that were less related but showed up in the quantitative analyses, but these were the top five ones, we know what they do. Just out of the bat, you would have a 21% higher chance of getting coronary artery disease at some point in your life than the population at large. Now, to have all seven, right, there five plus two, seven genes, to have all the bad alleles of all, combinatorily it goes down and down, so it's probably only one in a few hundred or at most people. But, you can get that. Most of us have a mixture of these, because they're just all sorts of different genes. But this is really major thing, because again, it is saying that at least this short telomere thing, because we know what these genes do, must be able to contribute, contribute this particular form of cardiovascular disease. If you believe in the logic that genes have causality, and I think that's a rational thing to do, then, that's what we can say for this case. So, it's really useful! Now, telomeres is not all good news, because in the context of cells that are normal. You remember Dr Jekyll and Mr Hyde, it was one person in the daytime, he was this nice, good citizen, well-behaved, but at night-time, same person, was a horrible criminal, violent, right? And telomerase, in the setting of the night-time setting, if you will, cancer-prone cells that had changes. This can be really dangerous! Genetics, again, has told us. Now remember, I told you, if you have only half as much telomerase as you ought to have, one of the things that is caused is cancers. And it's actually a specific subset of cancers. But now, more recent genetics has come in, and we're finding another very interesting thing, that is just about cancers. Now, when I say, we, I mean the world at large. And so, just a little bit too much, even just as, less than twofold, too much expression of telomerase itself, actually causes some other cancers. You can see actual contributions here. And there are completely different set of cancers, and they're not the most frequent of the cancers in the world. But now, you can see where we are. Cancers first of all, vary. We are really living in a trade-off world here, right? We're precariously on a knife-edge here, because this is what has been learned by looking at actual humans and actual diseases and genetics and understanding the molecular basis of what's going on. You're going to say, "Well, telomeres, wait a minute, they are not cause to all diseases, diabetes, it's caused by other things. It's caused by insulin not working properly, there are other things that go on, it can't be all telomeres!" And I couldn't agree more! But I want to pose the idea that, in fact show you the data! Actually, it'll come from mouse models, because it's so clear that telomeres interact. So, now we've talked about this idea, the more the telomeres shorten, the more cells get engaged in harmful kinds of consequences, and the more severe the pathologies. And in a mouse, you actually have to delete telomerase completely, but then eventually if you breed the mice you can start to see these sort of graded effects. So now, let's look at mouse models, where we're looking at just single-gene mutations, which cause disease in humans. And so, here's three. One is Progeria, very premature, fast telomere shortening, sorry, premature, fast aging, actually, it has telomere shortening, too, in humans. Another one, completely different, a muscle wasting disease. Duchenne Muscular dystrophy, known mutation, another completely different one again, diabetes, not enough insulin in this mouse, single-gene mutation. So, completely different things. Now, each of these models, you put the same mutations that you find in humans, you put them into the mouse and it's actually a little bit disappointing. You don't get all the phenotypes, the Warner's doesn't have the full phenotype, the Duschenne Muscular dystrophy shows the skeletal muscles, but actual people with this disease die of cardiac disease. So, it's not really mimicking it perfectly! So, now let's go through with time and now let's superimpose in the mouse model a Telomerase deletion. What happens is really interesting, because well before the telomerase deletion is really showing any effect by itself, the telomeres only partly done some of the cells, you get an interaction, and what gets worse is the Warner's syndrome phenotypes. And you'd starts to look now like the human one. The right cells start to be showing pathologies. The same thing happened with the Duchenne muscular dystrophy in that setting, as the telomeres got shorter, now they started to get heart problems. And now, the same, the diabetes, part insulin deficiency, it became much worse and it was the diabetes symptoms that got worse. Okay, so bottom line is we've turned mice into furry little humans! Right? By removing telomerase and setting that as a background. So, interactions between telomeres and disease, we can see that in these mouse models. Now, I just want to tell you that it's not all genes, and in fact, people have long known that something you might think is totally different but, coming from the mind is something that does have an impact on telomeres. On disease, good example is heart disease, in fact. And so, we and others started studying this, and we started and found some effects on telomere maintenance. And now, the list is huge, I'm just going to show you this huge list of all these sorts of things, terrible things that happen in people's lives, which really argue, since it's the length of exposure that is often very much a quantitative predictor, or the duration, duration severity, length of abuse in these situation... It quantitatively predicts how short telomeres are. So, we think there's real causality here. And we know that Chronic psychological stress has impact on disease, but one of the things it does do is it reduces telomere maintenance. So, the big question is going to be, disease impact itself, and what can you do about it?" And why would you care? This is all very statistical. And now, I want to finish with something really remarkable. Which is: People who have bladder cancer, and you look at an interaction between something that you probably would never have dreamed of looking at if you're asking how much a bladder cancer patient will survive. An interaction of the short telomeres in the blood cells, the normal blood cells, with depression. Now, depression is fairly common. So, they just did a simple thing in this beautiful study, which was they divided people up at the time of their diagnosis, of course the bladder cancer had been developing all those years. Got to the point of being clinically diagnosed and they said that the person had depression, but not short telomeres or short telomeres and not depression, or neither, short telomeres or depression, or did they have both. Now this just says, well, they did the study right, this group at MD Anderson in Houston, Texas, I'm going to show it to you visually. Here are lots and lots of people! They had over 400 people. They're all just sorts of different people, and they've got bladder cancer. And at the diagnosis, they fell into one of those categories. One or either of depression and shorter blood cell telomeres, or neither, or both. After two and a half years, if you only had depression, or you only had short telomeres, or you had neither. it actually statistically didn't make much difference. So, this many people are no longer with us after two and a half years, they died within that two and a half years. But if you had both, it was that! So, this is a big difference, over half! And now, five years, is a very critical time for cancer. And now, if you only had one, well of course, more and more people did die, either depression or short telomeres, or neither, it's about the same. But if you had both, everybody had died. So, that starts to look clinically significant and I think the game that you've been seeing is, it's all about interactions. And so interactions between all sorts of factors. We've observed in lots of stress-like and other situations, things that will make your telomeres shorter. It has been observed things that will make them longer. The real thing is going to be finding out which of these things, quantitatively, will actually, in true, proper studies, that are not just looking, but really testing in trial-like arrangements, which of these kinds of things, and they'll be more, could actually improve telomere maintenance. And it's got to be this right balance, because remember, if you push it too far, cancer risks go up, of certain kinds of cancer. So, it's got to be really, really tuned right, and probably physiologically is important. Okay, so what I've done is I've said there are all sorts of inputs into the telomere shortening and the how it much it shortens is really a complex set of things. But you can measure all of that, and see what the telomere shortening is, and you can see these quantitative relationships, associations. And as I've shown you, the sum aspect of it, which is presenting causality, and of course there's plenty of other causality, all interacting as well, but we think that we have this sort of underlying situation, where we can say, here's something that's changeable in life, you can see it's influenced by a lot of things besides genes and it partly, at least, contributes to the very common diseases of aging, which account for so much morbidity in people. And that just is the long words way of saying what I just told you in a diagram. So, maintenance of telomeres is important, and it's something else that we think now is actually contributing to these diseases of aging. So, finally, I just want to finish with, the journey began, with curiosity, you have to be always willing to play with ideas, you had to had background knowledge to make all these kinds of discoveries, not only in the pond organism, but in humans. You had to have wonderful collaborators, so that meant working with people, working in a research environment that made this possible. So, I'm immensely grateful that I'd been able to have this journey, and the science community people, so important. I'm in the Bay Area, in San Francisco, but I have colleagues everywhere. This journey began in looking underwater, and I just thought I'd finish with this most beautiful graphic, it's a photograph taken just outside where I was born, in Tasmania, Australia. It's the shoreline at night, and beautiful, single-celled organisms, living under the sea, living underwater, just like Tetrahymena does. These beautiful organisms are shown lit up here, and of course, the wonders that they can show you are probably, perhaps almost as wondrous as the wonders that you can see when you look out into the galaxy. Thank you very much.

Es ist wirklich ein Vergnügen, wieder hier in Lindau zu sein und solche wunderbaren Begegnungen mit jungen Wissenschaftlern zu pflegen! Was also sind Telomere und was noch wichtiger ist, warum sollte man sich darum kümmern? Ich dachte, in der nächsten halben Stunde nehme ich Sie auf die Reise mit, die ich gemacht habe und auf der ich mich noch immer mit vielen anderen befinde, eine Reise vom Wimpertierchen ausgehend, eine eher unwahrscheinliche Reise, die uns zu etwas Menschlichem führt, das wir Verstand nennen. Die allgemeine Botschaft und was aus der Reise folgt sind, als rechte Überraschung, Implikationen zum Telomeren-Erhalt für die Gesundheit und Krankheit des Menschen. Ich werden Ihnen also erzählen, wie ich diese Reise begonnen habe, was uns dazu veranlasste und dann alles das, was daraus erwuchs, und es gibt natürlich Fragen, die nach wie vor zu beantworten spannend sind. Wenn man in eine Zelle blickt, die im Begriff ist sich zu teilen und ein Bild von den Chromosomen machen würde, die Sie hier blau sehen, würden Sie sehen, die Zelle ist im Begriff, sich zu teilen, alle Chromosomen haben sich reproduziert, und die DNA, die ganz komprimiert ist und blau aussieht, Sie sehen, die ist deutlich doppelt. Am Ende jedes Chromosoms, an jedem Ende jedes dieser reproduzierten Chromosomen, da sehen Sie ein kleines Klümpchen. Das erhellt das Telomer. Die Funktion des Telomer war lange Zeit eigentlich nur durch ein Klümpchen bekannt, doch funktionell war es wichtig. Es war bekannt, dass es das Ende des Chromosoms in einer Weise schützte, die das genetische Material schützte, und ohne etwas, was auch immer das ist, eine schützende Struktur am Ende des Chromosoms, könnte das Chromosom sehr instabil werden, Informationen verlieren, es könnte sogar manchmal mit seinen Enden an anderen Chromosomen haften. Keine guten Nachrichten! Das Telomer war somit eine Art Kappe, die das Ende der Chromosomen abdeckt. Dennoch gab es da ein Rätsel. Was war dieses Klümpchen? Wie konnten wir diese Frage beantworten? Es erforderte, Moleküle in die Hand zu bekommen. Hier kam das Wimpertierchen ins Spiel, denn diese kleine Kreatur, genannt Tetrahymena thermophila ist ein schöner, einzelliger Organismus, er leuchtet grün auf, ist aber nicht wirklich grün. Es lebt im Wimpertierchen, der Punkt aber ist, es hat viele sehr kleine und lineare Chromosomen. Also viele Enden je Rest der DNA. Das ermöglichte es mir, es sehr direkt molekular zu analysieren und ich fand heraus, gewissermaßen überrascht, dass es diese sehr einfache DNA-Sequenz gab. Sie kodierte keine Proteine oder irgendetwas und die einfache Sequenz wurde einfach immer wieder wiederholt. Ich zeige Ihnen gleich ein Beispiel. Das war sehr seltsam und wir fanden dann, dies war allgemeiner, dies war nicht nur auf diese wundervolle Kreatur begrenzt, es fand sich auch in Hefe. Diese Arbeit führten wir mit Jack Szostak durch. Ich arbeitete mit Jack zusammen und wir entdeckten, oh, das erweitert sich zur Hefe. Und immer mehr Leute forschten und entdeckten das, für Eukaryoten, die linearen Chromosomen haben, und Sie werden sich übrigens wundern, wie das bei Bakterien ist, die sind so viel intelligenter, haben Ringchromosomen, die kümmern sich um so etwas nicht. Wir sprechen also von den Eukaryoten, wir alle bis hinunter zum Wimpertierchen. Das befindet sich also an jedem Ende und ist das kleine sich wiederholende Motiv, das Sie an unseren Enden sehen. Es gibt tatsächlich sehr viel mehr als was ich gezeigt habe und tausende von DNA-Bausteinen, der Punkt aber ist, sie bilden ein Gerüst und dieses Gerüst ist eine Schutzhülle besonders protektiver Proteine. Dabei muss das Gerüst groß genug für die Zunahme protektiver Proteinen sein, was sehr gut untersucht wurde. Ich werde Ihnen gleich ein paar Namen nennen, es muss groß genug sein, einen echten Schutz zu bieten. Nun, es musste groß genug sein. Gut, da gab es ein weiteres Rätsel und das war wirklich sensationell, denn man wusste, wie sich DNA replizierte, man kannte den Mechanismus seit 1970 und hier lag das wirkliche Problem. Der schöne Mechanismus, der den ganzen Rest der chromosomalen DNA repliziert, ist zu dumm, und kann das Ende nicht replizieren. So ist es eben gebaut! Wenn man das logisch zu Ende denkt, entschuldigen Sie das Wortspiel, würde man, jedes Mal, wenn man die DNA repliziert, etwas vom Ende verlieren. Indem sich Zellen teilen und replizieren würden Telomere jedes Mal immer kürzer werden. Das wäre keine gute Idee! Tatsächlich wurde vorausgesagt, dies würde vielleicht zu einer Art Beendigung des Alterungsprozesses der Zellen führen. Doch niemand wusste, was da vor sich ging. Zumindest wussten wir damit, dass Telomere DNA an den Enden wiederholten, aber es gab auch eine andere Beobachtung, dass sie, die Zahl der Wiederholungen war tatsächlich fließender, sie nahmen zu und ab und änderte sich an den Enden verschiedener Chromosomen. Hmm, dies war sehr viel dynamischer! Nun, die Verminderung konnten wir verstehen, das Wachstum, das war seltsam! Wie auch immer, wir entschieden uns schließlich nach einer enzymatischen Aktivität zu forschen, die DNA möglicherweise an die Enden anfügte. Also ganz einfach, dies ist es, was Carol Greider und mir glückte: Wir schufen ein kleines synthetisches Stück Telomer-DNA, die kleinen Bausteine, die Sie hier sehen, und zwar von diesem Tetrahymena, das sehr viele linear Chromosomen hat, ich dachte, vielleicht verfügt es über sehr viel von dem, was diese linearen Chromosomenenden erzeugt und man könne die richtigen Extrakte aus diesen Zellen erhalten, und dies durch eine chemische Reaktion vornehmen, und einfach zwei Bausteine nehmen, - beachten Sie, die Telomer-DNA ist nur von diesen beiden, in dieser Spezies, und diese synthetische DNA könne man zum Wachsen bringen. Als wir das ausgiebig untersuchten fanden wir, dass es eine faszinierende Sache war. Es legte diese Nukleotide an, und tat etwas, von dem man nicht angenommen hatte, dass normale Zellen dies tun würden. Es kopierte etwas der RNA-Sequenzinformation in komplementäre Nukleotide, die dem DNA-Ende hinzugefügt waren. Dadurch wurde die DNA verlängert. Diese RNA ist also sehr viel länger als diese kleine Teilsequenz, doch die RNA ist in dieses Enzym eingebaut, das zum Teil Protein, zum Teil RNA ist. Die RNA hilft bei der Reaktion, liefert aber auch dieses kurze Teil davon als Vorlage. Wir sind also dabei alle diese Mechanismen zu studieren, als sich ein Glücksfall ereignete. Aus verschiedenen Gründen ließen wir sehr präzise Mutationen der Telomerase RNA entstehen, und es gelang uns, eine an einem bestimmten Ort zu erzeugen, was eine Wirkung zeigte, die für uns sehr nützlich war. Es kam beim Enzym gewissermaßen zurück und ließ es stoppen. Das ermöglichte es uns, eine Frage zu stellen: „Was empfinden Zellen, wenn ihre Telomerase nicht gut funktioniert?“ Wir hatten im Reagenzglas Dinge vorgenommen und siehe da, wir konnten zum Tetrahymena gehen, das, was ich Ihnen nicht gesagt habe, ein wunderbarer Organismus ist, denn er wächst unsterblich, er teilt sich einfach ständig. Solange man ihn richtig ernährt, freundlich mit ihm spricht, fährt er fort sich zu teilen. Es hat, ich habe das gezeigt, relativ viel Telomerasen. Die Telomerasen wurden etwas kürzer und länger, aber da waren sie. Was würde nun geschehen, wenn, wir wussten es zu interaktivieren, wir dieses sehr präzise chirurgische Stilett am Herzen des Enzyms verwendeten? Es stoppte es. Die Telomere wurden langsam kürzer, es dauerte etwa 20 Zellteilungen und dann hörte die Zelle einfach auf sich zu teilen. Unsere unsterbliche Zelle, wenn Sie so wollen, wurde eine sterbliche Zelle. Wir hatten ihr in der Tat einen sterblichen Schlag ins Herz versetzt. Es war nicht mehr unsterblich, das hatten wir sehr einfach bewerkstelligt, wir wussten, was wir taten, wir mutierten die Telomerase und sie wurde sterblich. Die Schlussfolgerung war, die Zelle benötigt viel Telomerase, hat sie die, wird die Verkürzung balanciert. Nun, die Verkürzung findet weiterhin statt, doch das Geleichgewicht, das man erhält, Verlängerung, wenn sie benötigt wird, damit diese Zellen weiterleben. Wir gehen jetzt weiter zu sehr viel mehr Arbeit für sehr viele verschiedenen Gruppen und fassen das zusammen, von dem wir jetzt wissen, dass es sich um eine viel kompliziertere Situation handelt. Der Kern dessen, was ich ihnen erzählt habe, halten Sie den fest, denn genau das wird sich durch alles, was ich Ihnen erzähle, hindurchziehen, wenn wir jetzt darüber nachdenken, im Wesentlichen von jetzt an immer in Bezug auf den Menschen. Wir haben also die RNA-Komponenten, die haben einen Namen, hTERC. Wir haben ein Protein, das die reverse Transkriptase ausführt, das Kernprotein, hTERT, TERT und das ist der wichtigste Teil davon! Was man vom Menschen kennt ist, dass dies außerordentlich kompliziert gesteuert wird. Sie brauchen das nicht alles zu lesen, es geht nur darum, Ihnen die Aficionados zu nennen, damit jeder molekulare Kontrollmechanismus, den Sie sich für diese Aktion dieses Enzyms denken können, damit es mehr oder weniger aktiv wird, auch ausgeführt wird. Telomer-Proteine selbst schützen das Telomer vor einer zu starken Telomeraseaktivität. Sie rationieren diese ein bisschen. Telomerase-Ebenen, wie viel Telomerase wird aus Telomerase-Genen erzeugt? Wie viele RNA-Produkte der Telomer-Transkription, Telomer Transkription von Genen werden tatsächlich in verschiedene gespleißte Formen gegeben? Wie sehr werden sie in dem Enzym zusammengeführt? Und so weiter. Gut, Sie haben eine Vorstellung davon, es ist wirklich sehr komplex, wie erfährt man, welche von diesen sind die wirklich wichtigen im Menschen. Sie bewirken alle etwas irgendwo. Was man also tun muss, man muss sich die Menschen ansehen. Hier ist es sehr wichtig, in Bezug auf den Zeithorizont zu denken, denn Menschen, wie Sie sich erinnern, haben in vielen entwickelten Ländern weltweit eine Lebenserwartung von etwa annähernd 80 Jahren. Wir schauen uns unsere experimentellen Modelle an, etwa eine Maus, die lebt aber nur zwei Jahre lang. Und eine Fruchtfliege, die hat nur etwa sechs Wochen und ein Wurm, bei dem sind es etwa drei Wochen. Obgleich wir alle die gleichen molekularen und zellulären Bausteine in unseren Zellen haben, wie spielt sich das im gesamten Organismus ab, in Anbetracht dieser sehr verschiedenen Zeitrahmen. Was der kritische Anteil der begrenzenden Aspekte sein könnte, werden diese die Gleichen von Organismus zu Organismus sein? Ich sage Ihnen, jedes dieser Modellorganismen, die Maus, der Wurm und so weiter, die sterben nicht, wenn sie aus Altersschwäche sterben, die sterben nicht durch kurze Telomeren. Sie befinden sich aber in einem sehr anderen Zeitrahmen als wir, daher müssen wir unser Inneres schauen. Glücklicherweise können wir Telomere messen, man kann Blutproben nehmen, man kann andere Proben nehmen. Gewöhnlich nimmt man Blut, manchmal einfach Spucke, unseren Speichel, voller nützlicher Zellen, wir erhalten ein Fenster in unseren Körper. Wir können Telomere messen und es gibt schöne Methodologien dies zu tun. Ich werde das nicht weiter ausführen, nur so weit, man kann auf verschiedene Arten messen und gute, zuverlässige Zahlen erhalten. Also, was haben wir gefunden? Nun, wir begannen mit etwa 10.000 Nukleotiden, die diese Wiederholungen wert waren. Wirklich schöne, lange Telomere, wenn wir geboren werden, wenn wir dann wirklich alt sind, sind sie etwa halb so lang. Diese Hälfte mag Ihnen viel erscheinen, doch in Wirklichkeit bringt das die Zellen in ernste Gefahr, da die schützende Umhüllung nicht mehr groß genug ist. Was dann in den Menschen geschieht, ist wirklich interessant. Und es gab keinen realen Grund anzunehmen, dies sei der Fall, da die Telomere sich graduell verkürzen, wenn man sich die meisten Zellarten ansieht. Während wir ein Jahrzehnt nach dem anderen leben und die Zellen, die wir in uns tragen, genannt Seneszenz, ein Signal, das diese zu kurzen Telomeren an die Zellen senden, „Stopp!“ sagt. Sie teilen noch andere Dinge mit, die getan werden sollten, wovon ich Ihnen erzählen werde, aber zuallererst beenden sie sogar die Vermehrung. Wenn es sich um einen auffüllenden Zelltyp handelt, hört dieser damit auf. Hier war nun dieser allmähliche Prozess, der sich über Jahre erstreckt. Ist das wie eine Kerze, die herunterbrennt und vielleicht verursacht, - die mit unserem Tod in Verbindung steht? Das ist die Frage! Hier war der zelluläre Teil, auf dieser Seite und was hier unten stattfand, und hier was in unserem ganzen Leben stattfindet. Denken Sie daran, da ist diese sehr stark regulierte Telomerase und jetzt können Sie sich vorstellen, nun, es könnte etwas sagen, tut es aber nicht, es vollbringt eine großartige Arbeit. Das ist für gewissen Zellen gut, da gewisse Zellen die Gewebe im Lauf des Lebens auffüllen müssen, es ist nicht schlecht, aber nicht perfekt. Glücklicherweise ist das in den Zelllinien, die aus unseren Keimbahnen entstehen, wirklich gut, sonst wären wir nicht hier. Das wird also durchgehend in unseren Keimbahnen erhalten, den Sperma- und Ei-erzeugenden Zellen, die uns alle und alle unsere Vorfahren und Nachkommen hervorbringen. Das ist also gut, in unseren Körperzellen, in sehr vielen Zelltypen, aber ziemlich gering. Es gibt da noch eine andere Variante, erinnern Sie sich, ich sagte, es sei komplex. Es zeigt sich, beim menschlichen Krebs, natürlich handelt es sich dabei um Zellen die einfach weitermachen, was sie nicht sollten. Sie sind nicht notwendigerweise unsterblich, vermehren sich aber viel zu sehr. Sie lieben ihre Telomerase und bringen sie wirklich auf Hochtouren. Sie machen aber noch eine Menge anderer schlimmer Dinge, wie man das vom Krebs kennt. Gut, da haben wir die Situation im Menschen. Wie spielt sich das nun alles ab? Wir wissen jetzt viel über die Konsequenzen dessen, was geschieht, wenn man in eine Zelle sieht und etwas über Telomere wissen will. Hier haben wir eine schöne menschliche Zelle, die unter dem Mikroskop angesehen wird, aufgerollt innerhalb des Zellkerns sind alle Chromosomen in violett, und außen, der Zytoplasmainhalt gefüllt, vieles davon sind die Mitochondrien, die selbstverständlich die Kraftzentren der Zellen sind. Wir haben hier jetzt 92 Telomere, 46 Chromosomen, 92 Telomere und so, hier ist eines. Was im Lauf des Lebens geschieht ist, die Telomere in den Zellen, wenn diese sich vermehren, und selbst wenn sie nur beschädigt werden, dann werden Telomere immer kürzer und dann wird es zu kurz und das Ende ist offen. Das Telomer hält jetzt nicht still, es spricht zu den anderen Zellen und es spricht zu seinen Mitochondrien und drückt sie mit einem Satz signalgebender Moleküle nach unten. Dadurch wird ihre Qualität schlechter. Wenn Mitochondrien nicht ihre gesamte wunderbare Energiearbeit gut ausführen, können sie anfangen zu versagen und reaktive Sauerstoff-Spezies erzeugen. Die wirklich schlechte Nachricht ist, und teilweise eine schlechte Nachricht für Telomere, es baut sich ein Teufelskreis auf, in dem Telomere noch kürzer werden können. Ich habe nur eines gezeigt, aber da gibt es 92 und verschiedenartige, die können sich immer weiter verschlechtern. Das ist für die Zelle selbst ziemlich schlecht. Diese Dinge sind jetzt aber wie diese Zellen, diese Telomere mit offenem Ende senden Signale, sie sind wie ein fauler Apfel in einem Fass. Sie können jetzt andere Dinge infizieren. denn eine andere Art Signale, die diese Teloreme mit offenem Ende, welches sehr besorgte Telomere sind, senden, sind aus irgend einem Grund Alarmsignale, die beinhalten, außerhalb der Zelle sekretierend zu wirken. Dies schließt Faktoren ein, die die Entzündung steigern. Aufgrund einer Reihe Dinge, die in diesem wundervoll komplexen Immunsystem stattfinden, können auch reaktive Sauerstoffspezies erhöht werden. Man hat also eine noch schlimmere Situation. Gut, Sie können eine Zellenseneszenz mit geschädigtem Telomer sehen, und das ist keine gute Zelle. Diese Art zellulärer Pathologie wurde gut untersucht, in Zellen und in gewissen Mausmodellen und so weiter. Und es gibt allen Grund anzunehmen, dies würde so auch bei menschlichen Zellen weitergehen. Wir wollen uns jetzt einmal einige der Konsequenzen ansehen, von dem, was mit der Telomerlänge geschieht. Wir hatten das Glück an einer sehr großen Kohortenstudie teilzunehmen und wir konnten Telomerlängen von 100.000 Menschen messen, wir beginnen also einen guten Begriff davon zu erhalten, was in der Menschheit geschieht, zuallererst einmal in einem Teil Kaliforniens. Als erstes schauten wir uns Telomerlängen in Speichelproben von 100.000 Menschen an. Man bekommt eine schöne Stichprobe von Zelltypen des Körpers. Man schaut sich mit der Zeit einen Durchschnitt an, wenn Menschen immer älter werden, es gab für jede Person einen Zeitpunkt, und was sich zeigte ist das, was ich Ihnen erzählt habe! Es gab da diesen allmählichen Rückgang. Dann sahen wir aber etwas wirklich Interessantes! Lassen Sie mich darauf verweisen, die höchste Sterblichkeit in dieser Population findet hier statt. Sie haben also diesen Rückgang, die höchste Sterblichkeit ist insgesamt hier. Sie sehen aber, es gibt Menschen, die leben immer weiter. Nun, das ist nur ein Zeitpunkt, was man aber sieht ist, je länger die Person überlebt, desto wahrscheinlicher ist es, dass sie eine durchschnittlich längere Telomerlänge hat. Das ist jetzt sehr, sehr interessant, weil man das bisher noch nie gesehen hatte. Wir wiederholen, dass Männer und Frauen verschieden sind. Wir zeigten aber, dass die Differenz, die vor dem 50sten Lebensjahr etwas geringer ist, sich wirklich zwischen Männern und Frauen aufzuspalten beginnt. Und nach dieser kritischen Zeit, in der die meiste Sterblichkeit, nun die Bevölkerungssterblichkeit von beiden, diesen Anstieg zeigt. Also, wirklich interessant. Wir können jetzt sagen, was ist, wenn man sich fragt, ob das irgendeine Konsequenz oder einen prädikativen Wert hat. Die DNA wurde im Jahre 2009 genommen, die Uhr tickt also und 2012 konnte man in den Aufzeichnungen nachsehen, wer noch lebte. Und wer schon gestorben war. Und dann ein Beziehung hergestellt, als Funktion zu wie die Telomere zu Beginn waren. Und siehe da, wenn man sich die Leute im unteren Viertel ansieht und ihre Wahrscheinlichkeit zu sterben als eins nimmt, nur als Referenz, dann findet man, jeder, dessen Telomere sich drei Jahre zuvor in den anderen Vierteln befanden, oder innerhalb des Dreijahreszeitraums, und man sich die Sterberate ansieht, sieht man, oh, lange Telomere haben tatsächlich ein geringeres Risiko, dass man sich in der Menschengruppe befindet, die innerhalb dreier Jahre starb. Wir haben gesehen, Alter und Geschlecht haben eine deutliche Wirkung, die blaue Linie ist daher, der blaue Balken zeigt, dies wurde bereits bereinigt. Wir wissen aber auch, es gibt viele andere Dinge, die Sterblichkeit beeinflussen. Viele andere Dinge beeinflussen auch die Telomerlänge. Und wir kennen sie, und können die Hauptursachen herausnehmen und hier ist eine lange Liste. Wir beachteten Alter und Geschlecht, Rasse, Volkszugehörigkeit, Bildung, Zigaretten, Historie der Packungsjahre, Gewohnheiten bei körperlicher Betätigung, Alkoholkonsum, Body-Mass-Index und so weiter, und, es bewegte sich nichts. Das sagt Ihnen, es ist unabhängig. Dies ist eine sehr heterogene Gruppe von Menschen, aber wissen Sie, die Kalifornier, hm, wissen Sie (lacht). Also, schauen wir uns einige seriöse, nüchterne DNAs an, und sehen wir mal, ob das Gleiche zutrifft. Dies ist die Kopenhagen Studie, Rode et al. publizierten diese tolle Arbeit in der sie 64.000 Menschen untersuchten auf Blutzellen-Telomere, nur durchschnittliche Telomerlänge, Ausgangsdaten und dann im Laufe der Jahre sahen sie sich einen größeren Bereich an und der Durchschnitt war etwa sieben Jahre, etwa der Zeitraum, den wir untersucht hatten. Und sie fragten, von den vielen Menschen, die starben, zunächst wie viele, in welcher Telomerlängen-Kategorie, wie viele starben da? In anderen Worten, die gleiche Frage, ist das Risiko, dass Sie innerhalb dieses Zeitraums von durchschnittlich sieben Jahren sterben, steht dieses Risiko in irgendeiner Beziehung zur Telomerlänge bei Beginn der Analyse der Ausgangsdaten? Und siehe da, wieder, nach Bereinigen aller dieser vielen möglichen Variablen, die multivariat adjustiertes Modell genannt werden, das ist es, mit Bezug auf die Kürze der Telomerlänge, da sehen Sie, die Trends sind genauso schlecht und schlechte Aussichten in der Gruppe der Menschen zu sein, die starben, je kürzer die Telomere sind, es ist wirklich ein Trend. Wir haben jetzt die Botschaft erhalten, wir hatten große Studien, ich denke, es ist ziemlich klar. Verringerte Sterblichkeit, und ich zeigte Ihnen alle Ursachen, mit Bezug auf die Beobachtung, einfach durch Beobachtung der Telomerlänge in Menschen. Ich zeigte Ihnen die Daten der Untersuchung von Rode et al. und von anderen nicht, dass, wenn man beginnt es in die wesentlichen tödlichen Krankheiten älterer Menschen zu unterteilten, kardiovaskular, alle Krebserkrankungen für den Augenblick zusammengenommen, alle diese stehen in Beziehung zur verminderten Sterblichkeit aufgrund dieser Ursachen, und alle beziehen sich auch auf die Beobachtung des Vorhandenseins längerer Telomere. Gut, und jetzt die gute Nachricht über längere Telomere bei einem anderen Parameter, der uns ebenfalls interessiert. Lebensdauer ist eine Sache, wir möchten wissen wie lange, wie viele Jahre wir ein gesundes Leben leben können, wie lang ist unsere, Zitat, Langlebigkeit bei guter Gesundheit. In der Tat sehen Sie hier wieder eine Beziehung, hier ein paar Zahlen, der Punkt aber ist, sie stehen miteinander in Beziehung. Hier kann man jetzt etwas anderes sehen. Man kann sagen, gehen wir jetzt einmal den anderen Weg, wie verhält es sich mit den schlechten Nachrichten? Wie steht es bei kürzeren Telomeren mit Krankheiten? Sehen wir da eine Beziehung? Und die Beziehung geht in diese Richtung, kürzere Telomere korrelieren damit, nicht nur das Finden einer Zuordnung, sondern tatsächliche Voraussage, wie ich es sah, ich zeigte es Ihnen, wie Sterblichkeit vorausgesagt wird, Voraussage, eine Krankheit zu bekommen, und da gibt eine ganze Gruppe solcher Krankheiten und Sie sehen, die sind sehr häufig Formen von Beeinträchtigungen und Krankheiten, die im Alter auftreten. Die Aufmerksamen unter Ihnen haben etwas bemerkt, alle diese Pfeile haben doppelte Pfeilspitzen. Bislang habe ich noch nichts zur Kausalität gesagt. Das möchten wir gerne wissen! Also, Genetik! Genetik ist wunderbar, da sie uns ermöglicht, wenn wir ein Gen sehen können, wir ein Gen zuordnen können. Besonders eines, dessen Funktionen wir kennen, wir können von Kausalität sprechen. Ein wunderbarer Anfang wurde 2001 gemacht, Vulliamy et al. fanden heraus, wenn Menschen innerhalb einer Familie eine Mutation erbten, was glücklicherweise selten geschieht, dann liegt die in einem Telomerase RNA Gen, erinnern Sie sich, ich sprach von hTERC, diese RNA-Komponente der Telomerase. Wenn Sie eine Mutation haben, die Ihre Telomerase auf die Hälfte ihres normalen Niveaus zerlegt, da gibt es eine sehr deutliche Kausalität, wir wissen, was das hTERC bewirkt, es ist Teil des Telomeren-Erhalts und die Menschen erhalten sehr, sehr kurze Telomere. Der Punkt, der wirklich wichtig ist, es gibt einen deutlichen Krankheitseffekt in Bezug darauf, wie sehr sich Telomere verkürzen. Was ich sehr bald entdeckte waren eine Vielzahl sehr interessanter Krankheiten. sie zeigen bereits gewisse Überlappungen mit einigen der Krankheiten, die eben mit dem Alter in der Bevölkerung auftreten. Hier bekommen wir wirkliche Kausalität, nun ist das ein bisschen extrem, diese Menschen hier werden aller Wahrscheinlichkeit sehr viel früher sterben, und die Telomere werden immer kürzer, klingen im Laufe der Generationen ab, da die kürzeren Telomere von einer Person zur anderen weitergegeben werden, sie werden immer schlechter und sterben, leider, immer früher. Die Kausalität ist also ausgesprochen deutlich, aber etwas extrem. Nun befindet sich Genetik gerade im Wachsen und wuchs seit 2001, weitere Genetik hat uns die gleiche Geschichte erzählt, hat die aber ausgemalt. Also wiederum, erben einer seltenen Mutation, Hälfte der Telomerase-Ebene oder andere Wege, auf denen Telomer-Erhalt reduziert wird, nicht nur eine Verringerung von Telomerase-Ebenen, sondern auch andere Möglichkeiten, mit denen sich das reduzieren lässt, was mit dem direkten Binden von Telomer-Proteinen zu tun hat. Was man aber sieht ist genau das, was ich Ihnen gezeigt habe, da es weltweit immer mehr Fälle gibt. Es gibt verschiedene Familienstammbäume, die Leute finden solche Sachen und die Liste wird nun immer länger! Es beginnt sich jetzt sogar auf neuropsychiatrische Erkrankungen auszudehnen, sehr interessant. Es sieht wie eine wichtige Reihe von Dingen aus, die sich ereignen können, sie geschehen aber nicht alle in einem Menschen. Es variiert, je nachdem, wieviel kürzer die Telomere in den nachfolgenden Generationen wurden. Die Gene jedoch, und das ist nur für Spezialisten, die sich das gerne ansehen und sagen: „Ja, um welche Gene handelt es sich?“ Nun, da gibt es jetzt 11 von diesen, sechs davon sind selbst mit der Telomerase verwandt oder mit der unmittelbaren Biogenese von Telomerase, und hier sind jetzt fünf, die als Telomer-bindende Proteine bekannt sind. Wir wissen also genau, was die tun, sie kümmern sich direkt um den Telomer-Erhalt. Wir erhalten hier echte Kausalität. Schauen wir uns also die Verbleibenden unter uns an, die das Glück hatten, nicht von diese seltenen, wenn auch extremen informativen Mutationen betroffen zu sein. Sie können jetzt sagen, was ist mit den gemeinsamen Allelen, die unseren Telomer-Erhalt nur ein bisschen schädigen? Wir hatten übrigens einen großen Bereich an Telomerlängen, jene Mittel, die ich Ihnen beim Alter gezeigt habe, die sind viel enger als der tatsächliche Bereich von Telomerlängen aller Altersgruppen. Man kann aber bei hohen Zahlen Statistiken vornehmen und das ist eine schöne Studie, sich einfach einmal ansehen, womit Gene assoziiert sind, die kürzere Telomere in der Bevölkerung haben. Also Kausalität, weil Gene Dinge verursachen. Das Erstaunliche war, die fünf größten Hits waren unsere alten Freunde, die bekannten Telomer Telomerase Gene. Das war sehr deutlich, wir kennen deren Wirkung! Und dann sagten sie, wenn man sich diese Allele ansieht, die wirklich mit den kürzeren Telomeren verwandt sind, und dies die gewöhnlichen sind, dann kann dies in allen möglichen Kombinationen in jedem von uns auftreten, habe wir es hier mit dem Einfluss einer Krankheit zu tun? Da gab es, bei kardiovaskularer Erkrankung in einer bestimmten Form, der koronaren Herzkrankheit, in der Tat etwas, wenn man die kurze Allele-Version jedem dieser Gene hinzufügte und noch ein paar mehr, die weniger verwandt waren, sich aber in der quantitativen Analyse zeigten, doch dieses waren die Top fünf, und wir wissen wie die wirken. Man hätte einfach eine 21% höhere Chance, zu einer bestimmten Zeit seines Lebens an der koronaren Herzkrankheit zu erkranken, als dies bei der Allgemeinbevölkerung der Fall wäre. Jetzt haben wir alle sieben, hier sind fünf, plus zwei, sieben Gene, die alle schlechte Allele haben, kombinatorisch steigt das immer weiter ab, es befindet sich also vermutlich nur in wenigen hundert Menschen. Das kann man aber erhalten. Die meisten von uns haben hiervon eine Mischung, denn da gibt es allerlei verschiedene Gene. Die ist aber eine wichtige Sache, denn, noch einmal, man sagt, dass zumindest dieses kurze Telomer, da wir wissen, was diese Gene bewirken, in der Lage sein muss, einen Beitrag zu dieser bestimmten koronaren Herzkrankheit zu geben. Wenn man der Logik glaubt, diese Gene folgten einer Kausalität, und ich halte das für vernünftig, dann können wir das zu diesem Fall aussagen. Es ist also wirklich nützlich! Telomere bedeuten im Kontext normaler Zellen aber nicht nur gute Neuigkeiten. Sie erinnern sich an Dr. Jekyll und Mr. Hyde, am Tag waren sie eine Person, es war dieser nette, gute Bürger, gesittet, aber nachts war dieselbe Person ein schrecklicher Verbrecher, gewalttätig, stimmt's? Und Telomerase, in ihrem nächtlichen Umfeld, wenn Sie so wollen, Krebs anfällige Zellen, die sich veränderten. Das kann wirklich gefährlich sein! Das konnte uns, wiederum, die Genetik sagen. Erinnern Sie sich, ich sagte Ihnen, wenn Sie nur die Hälfte der Telomerase haben, die Sie haben sollten, ist eines, was dadurch veranlasst wird, Krebs. Es ist tatsächlich eine bestimmte Teilgruppe der Krebserkrankungen. Jetzt ist eine neuere Genetik dazugekommen, und wir finden etwas anderes, sehr Interessantes, was mit Krebs zusammenhängt. Wenn ich jetzt wir sage, dann meine ich die gesamte Welt. Ein bisschen zu viel, selbst etwas weniger als doppelt zu viel Expression von Telomerase, ruft andere Krebserkrankungen hervor. Sie können hier die tatsächlichen Beteiligungen sehen. Und es gibt vollständig verschiedene Krebsarten, und sie sind nicht die häufigsten Krebserkrankungen auf der Welt. Jetzt können Sie aber sehen, wo wir sind. Zunächst einmal variiert Krebs. Wir leben hier wirklich in einer Welt des Abwägens, stimmt's? Wir befinden uns hier in prekärer Weise auf Messers Schneide, denn dies ist es, was man erkannte, indem man sich reale Menschen und reale Krankheiten angesehen hat und Genetik und die molekulare Grundlage von dem was stattfindet verstanden hat. Sie werden sagen: „Nun, Telomere, einen Augenblick mal, die verursachen alle diese Krankheiten nicht, die Krankheiten haben andere Ursachen. Diese wird verursacht, weil das Insulin nicht richtig funktioniert, da finden noch andere Dinge statt, das kann nicht alles wegen der Telomeren sein!“ Und dem kann ich mich nur anschließen! Ich möchte aber den Gedanken hinstellen dass, sehen Sie sich diese Daten an! Die stammen von den Mausmodellen, denn da ist es so deutlich, dass Telomere interagieren. Wir haben den Gedanken besprochen, je kürzer Telomere werden, desto mehr Zellen befassen sich mit allen möglichen schädlichen Konsequenzen, und je schwerwiegender, desto pathologischer. In einer Maus muss man Telomerase vollständig tilgen, wenn man dann aber Mäuse züchtet, sieht man diese abgestuften Wirkungen. Sehen wir uns also ein Mausmodell an, bei dem wir uns nur einzelne Genmutationen ansehen, die im Menschen eine Krankheit verursachen. Hier sind drei. eines ist Progerie, sehr frühes Stadium, rapide Telomerverkürzung, Entschuldigung, frühes Stadium, schnell alternd, es hat auch Telomerverkürzung, bei Menschen. Ein weiteres, vollkommen anders, eine Muskelschwundkrankheit. Muskeldystrophie Duchenne, bekannte Mutation, eine weitere, vollkommen andere Krankheit, Diabetes, in dieser Maus kein ausreichendes Insulin, einzelne Genmutation. Also völlig verschiedene Dinge. Bei jedem dieser Modelle nimmt man die gleichen Mutationen, die man beim Menschen findet, fügt sie der Maus ein und in der Tat, es ist etwas enttäuschend. Man erhält nicht alle diese Phänotypen, das Werner-Syndrom hat nicht den ganzen Phänotyp, die Muskeldystrophie Duchenne zeigt die Skelettmuskeln, doch Menschen mit dieser Krankheit sind an einer Herzerkrankung gestorben. Es ahmt dies also nicht vollkommen nach! Wir gehen das jetzt mit der Zeit durch und kopieren in das Mausmodell eine Deletion der Telomerase. Etwas wirklich interessantes geschieht, denn lange vor der Deletion der Telomerase zeigt es eine eigene Wirkung, die Telomer haben nur einen Teil der Zellen gemacht, man erhält eine Interaktion und die Werner-Syndrom Phänotypen verschlechtern sich. Und die fangen nun an, wie die bei den Menschen auszusehen. Die richtigen Zellen zeigen Pathologien. Das gleiche geschieht bei diesem Milieu mit Muskeldystrophie Duchenne, während die Telomere kürzer werden, fangen sie an, Herzprobleme zu haben. Und jetzt das Gleiche, Diabetes, Teil Insulinmangel, der verschlechterte sich immer mehr und die Diabetessymptome verschlimmerten sich. Gut, im Grunde haben wir Mäuse in kleine pelzige Menschen verwandelt! Indem wir Telomerase entfernt und diesen Hintergrund geschaffen haben. Also, Wechselwirkungen zwischen Telomeren und Krankheit, wir können das in diesen Mausmodellen sehen. Jetzt möchte ich Ihnen sagen, dass nicht alles auf Gene hinausläuft, tatsächlich weiß man seit Langem, dass etwas, von dem man annimmt, es sei völlig anders, was vom Verstand her kommt, etwas ist, das eine Wirkung auf Telomere hat. Auf Krankheiten, ein gutes Beispiel ist die Herzerkrankung. Wir und andere fingen also damit an, dies zu studieren und wir fanden einige Wirkungen auf den Telomeren-Erhalt. Die Liste ist riesig, ich zeige Ihnen nur diese riesige Liste von all diesen Dingen, schrecklichen Dingen, die im Leben von Menschen geschehen, die wirklich dagegenhalten, denn es ist die Länge der Exposition, die häufig ein quantitativer Prädikator ist, oder die Dauer, Dauer und Ausmaß, Länge von Es sagt quantitativ voraus wie kurz Telomere sind. Also, wir glauben, da ist eine echte Kausalität. Wir wissen, dass chronischer Stress Hat eine Wirkung auf die Krankheit, doch etwas, was es ausführt ist, es reduziert den Telomer-Erhalt. Also, wird die große Frage sein: Und warum sollte einen das kümmern? Das ist alles sehr statistisch. Und jetzt möchte ich mit etwa wirklich Bemerkenswertem enden. Das ist: Menschen mit Blasenkrebs, und man sieht sich eine Wechselwirkung zwischen etwas an, von dem Sie sicher nie geträumt haben, dass Sie es ansehen werden, wenn man sich fragt, welche Überlebenschancen ein Blasenkrebspatient hat. Eine Interaktion der kurzen Telomere in den Blutzellen, den normalen Blutzellen mit Depression. Depression ist ziemlich verbreitet. Man nahm also etwas Einfaches in dieser schönen Studie vor, die teilten die Menschen zum Zeitpunkt ihrer Diagnose auf, natürlich hatte sich der Blasenkrebs bereits jahrelang entwickelt. An dem Punkt, an dem er klinisch diagnostiziert wurde, und man sagte, dass die Person Depressionen hat, aber keine kurzen Telomere oder kurze Telomere und keine Depression, oder nichts von beidem, kurze Telomere oder Depression, oder hatten sie beides. Dies sagt aus, die Studie war richtig angelegt, diese Gruppe des Arztes Anderson in Houston, Texas, ich zeige sie Ihnen in einem Bild. Hier sind sehr viele Menschen! Sie hatten mehr als 400 Menschen. Es waren Menschen von unterschiedlichster Art und alle hatten Blasenkrebs. Bei der Diagnose fielen sie jeweils unter eine dieser Kategorien. Entweder mit Depression und kürzeren Blutzellen-Telomeren, oder keins von beidem oder beides. Nach zweieinhalb Jahren, wenn man nur Depressionen hatte, oder man hatte nur kurze Telomere, oder keines von beidem, dann machte das statistisch gesehen tatsächlich einen Unterschied. Also so viele Menschen lebten nach zweieinhalb Jahren nicht mehr unter uns, sie starben innerhalb dieser zweieinhalb Jahre. Wenn man beides hatte, dann war dem so! Das ist also der große Unterschied, mehr als die Hälfte! Und jetzt fünf Jahre, das ist beim Krebs eine sehr kritische Zeit. Hatte man jetzt nur eines davon, natürlich starben immer mehr Menschen, entweder Depression oder kurze Telomere, oder keines von beidem, dann bleibt sich das etwa gleich. Wer aber beides hatte, da waren alle gestorben. Das beginnt nun klinisch signifikant zu sein, und ich glaube, was Sie sich hier abspielen sehen ist, es geht im Grunde um die Wechselwirkungen. Also Wechselwirkungen zwischen verschiedensten Faktoren. Wir haben viele stress-ähnliche und andere Situationen beobachtet, Dinge die Telomere kürzen. Es wurden Dinge beobachtet, die Telomere verlängern. Worum es wirklich geht ist herauszufinden, welches dieser Dinge, quantitativ, tatsächlich, in echten, geeigneten Studien, die nicht nur schauen, sondern wirklich in Versuchs-ähnlichen Anordnungen prüfen, welches dieser Dinge, und es werden mehr werden, tatsächlich den Telomer-Erhalt verbessern kann. Und es muss dieses richtige Gleichgewicht haben, denn, erinnern Sie sich, wenn man es zu weit treibt, steigt das Krebsrisiko, bei bestimmten Krebsarten. Das muss also wirklich, sehr gut abgestimmt sein und vermutlich wird Psychologie dabei von Bedeutung sein. Also was ich getan habe ist, ich sagte, es gibt verschiedenste Eingaben bei der Telomerverkürzung und wie sehr es verkürzt wird ist wirklich eine sehr komplexe Angelegenheit. Man kann das aber alles messen und sehen, was diese Telomerverkürzung ist, und man kann die quantitativen Beziehungen, Zuordnungen sehen. Und wie ich Ihnen gezeigt habe, der Aspekt davon ist, der die Kausalität repräsentiert, und natürlich gibt es eine Menge weitere Kausalitäten, welche auch alle miteinander interagieren, doch wir glauben, wir haben diese Art von Rahmenbedingungen, bei denen man sagen kann, hier ist etwas im Leben wandelbares, man sieht, es beeinflusst viele Dinge, neben Genen und es trägt zumindest teilweise zur den sehr verbreiteten Alterskrankheiten bei, die unter den Menschen eine so große Erkrankungsrate ausmachen. Es ist nur eine ausführliche Art das zu sagen, was ich Ihnen in einem Diagramm gezeigt habe. Also, Telomer-Erhalt ist wichtig, und es gibt etwas anderes, von dem wir jetzt annehmen, dass es zu den Alterserkrankungen beiträgt. Ich möchte am Ende damit schließen: Die Reise begann mit Neugierde, man muss immer gewillt sein mit Gedanken zu spielen, man muss über Hintergrundwissen verfügen, um alle diese Entdeckungen zu machen, nicht nur im Wimpertierchen-Organismus, sondern bei Menschen. Man braucht wunderbare Mitarbeiter, also das bedeutet mit Menschen zusammenzuarbeiten, in einer Forschungsumgebung arbeiten, in der dies ermöglicht wird. Ich bin also unglaublich dankbar, dass mir diese Reise möglich war, und der Wissenschaftsgemeinschaft, die ist so wichtig. Ich lebe in der Bay Area, in San Francisco, doch meine Kollegen sind überall. Diese Reise begann, indem man unter Wasser nachsah, und ich dachte, ich ende mit dieser so wunderschönen Grafik, einer Fotografie, die da draußen, wo ich geboren wurde, in Tasmanien, Australien, aufgenommen wurde. Es ist das Ufer bei Nacht und schöne Einzeller, die im Meer leben, die unter Wasser leben, so wie das Tetrahymena. Diese schönen Organismen werden hier erleuchtet gezeigt und, natürlich, die Wunder, die sie Ihnen zeigen können sind vermutlich so wunderbar, wie die Wunder, die Sie sehen können, wenn Sie hinaus ins Weltall schauen. Ich danke Ihnen.

Elizabeth Blackburn explains in this sequence of her 2015 Lindau lecture how work with her graduate student, Greider, led to the discovery of telomerase, which extends telomere DNA.
(00:03:50 - 00:06:09)

The complete video is available here.

Lastly, one more glass ceiling shattered in 2009, as Elinor Ostrom received the Sveriges Riksbank Prize in Economic Sciences in Memory of Alfred Nobel — a first for any woman since the honour was first awarded in 1969 [29]. A decade later, French-American economist Esther Duflo would follow in Ostrom’s footsteps by receiving the 2019 prize for her experimental approach to alleviating global poverty.

 

2010 and Beyond: Standing on the Shoulders of Giants

The 2010s saw a continuation of 2009’s successful trend for women in science. May-Britt Moser and her husband Edvard Moser received the 2014 Nobel Prize in Physiology or Medicine, along with American-British neuroscientist John O’Keefe — one of six married couples throughout history where both partners have won the esteemed award [30]. The Mosers identified grid cells in the brain, a type of nerve cell that generates a coordinate system and serves as our “inner GPS” [31].

In a video clip featured in the Moser’s Nobel Labs 360°, May-Britt Moser describes the patterns of activity she observed in a part of the brain called the entorhinal cortex, which helps rats — and humans — find their way around a spatial environment.

Nobel Lab 360° — May-Britt moser elaborates on her findings in the clip titled "Grid Cell Checkers" in the Nobel Lab 360°.
Nobel Lab 360° — May-Britt moser elaborates on her findings in the clip titled "Grid Cell Checkers" in the Nobel Lab 360°.

Explore further Nobel Labs 360° here.

One year after the Mosers won their award, Chinese pharmaceutical chemist Tou Youyou received a half-share of the 2015 Nobel Prize in Physiology or Medicine for her work in malaria [32]. Her discovery of the drug Artemisinin has significantly reduced the mortality rates for patients around the world suffering from the mosquito-borne disease.

Interestingly, Youyou was reading through ancient Chinese literature on herbal medicine when she found clues about an active component from sweet wormwood (Artemisia annua). She discovered a low-temperature extraction process that effectively isolated an antimalarial substance and volunteered to be the first human subject. It worked, and after successful clinical trials with malaria patients, Youyou presented her results to the World Health Organization in 1981. Today, Artemisinin is used in all parts of the malaria-ridden world and saves more than 100,000 lives each year in Africa alone.

In 2018, female scientists nabbed the Nobel Prizes for both Chemistry and Physics. American chemical engineer Frances Arnold took home half of the Chemistry prize for conducting the first directed evolution of enzymes [33]. She introduced random mutations into an enzyme’s genetic code so it could operate in a completely different environment — one consisting of dimethylformamide (DMF), a powerful organic solvent -- instead of a water-based solution. Arnold introduced these mutations into bacteria that make the enzyme, subtilisin E, and selected the ones that performed the best in DMF. Subtilisin E, commonly found in detergents and food processing applications, could be used to synthesize peptides in DMF.

After three rounds of this type of artificial selection, she ended up with a variant of subtilisin E that worked 256 times better in DMF than the original enzyme. This variant had ten different mutations — a combination that would have been much more difficult or even impossible to find using brute force enzyme engineering.

The Nobel Committee hadn’t awarded the Physics prize to a woman since Maria Goeppert-Mayer in 1963. Fifty-five years later, Canadian optical physicist Donna Strickland broke the dry spell when she received the Nobel Prize for her creation of ultrashort high-intensity laser pulses with colleague Gérard Mourou [34]. They shared half of the award with American physicist Arthur Ashkin, who invented optical tweezers.

The intensity of short laser pulses had reached a wall in the mid-1980s. They could not be made any more intense without destroying the amplifying material — until Strickland and Mourou invented a novel technique called chirped pulse amplification (CPA). Instead of amplifying the short pulse straight away, CPA involved stretching it in time first, then amplifying the pulse and compressing it. This method allowed for the creation of the shortest and most intense laser pulses ever made, and CPA went on to have important applications in physics, chemistry, and medicine.

In this video clip from the 69th Lindau Nobel Laureate Meeting, Strickland shares her impressions of her first Lindau Meeting and interacting with the young scientists.

Donna Strickland, 2018 Nobel Laureate in physics, shares her impression of her first Lindau Meeting, fangirling when meeting other Nobel Laureates, recommendations by Lindau Alumni, special moments of recognition - and the Lindau Nobel Laureate Pier. This video was produced at the 69th Lindau Nobel Laureate Meeting, 30 June-5 July 2019. 39 Nobel Laureates meet 580 young scientists for a week of scientific and international exchange.

More impressions of Nobel Laureates are available here.

All of the female Nobel Laureates throughout history come from incredibly diverse backgrounds and worked in vastly different disciplines, but they share several common traits that spell success in science: creativity, persistence, passion, and vision [35]. Being one of a few — or even the only — woman in a male-dominated environment can be intimidating and isolating. But for these women, the greater, overarching goal of scientific discovery kept them on a steady track that eventually led to the most prestigious award in their fields.

The opportunities for women in science have certainly improved since the days of the first Nobel Prizes, thanks to the herculean efforts of such pioneers as Marie Curie, Irène Joliot-Curie, Maria Goeppert Mayer, and Dororthy Crowfood Hodgkin. And today, the latest generation of Laureate women — Ada Yonath, Elizabeth Blackburn, May-Britt Moser, Donna Strickland, and others — continue the tradition of giving back by inspiring the budding young female scientists around the world.

 

Bibliography

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[2] Charyton, C. et al. (2011) Gender and Science: Women Nobel Laureates. Journal of Creative Behavior. Vol. 45, 203-214
[3] Facts about the Nobel Prize in general by nobelprize.org
[4] Facts about Nobel Prizes awarded to women by nobelprize.org
[5] Gibney, E. (2018) What the Nobels are — and aren’t — doing to encourage diversity. Nature. Vol. 562, 19
[6] Lunnemann, P., Jensen, M.H. & Jauffred, L. (2019) Gender bias in Nobel Prizes. Palgrave Communications. Vol. 5, 46
[7] Rockwell, S. (2003) The Life and Legacy of Marie Curie. Yale Journal of Biology and Medicine. Vol. 76, 167-180
[8] Quinn, S. (2011) A Test of Courage: Marie Curie and the 1911 Nobel Prize. Clinical Chemistry. Vol. 57, 653-658
[9] Facts about Marie Curie (Chemistry) by nobelprize.org
[10] Facts about Irène Joliot Curie by nobelprize.org
[11] Facts about Gerty Cori by nobelprize.org
[12] Mayer, M.G. (1949) On Closed Shells in Nuclei. II. Physical Review. Vol. 75, 1969-1970
[13] Hodgkin, D.C. (1949) The X-ray analysis of the structure of penicillin. Advancement of Science. Vol. 6, 85-89
[14] Hodgkin, D.C. (1972) The Structure of Insulin. Diabetes. Vol. 21, 1131-1150
[15] Hodgkin, D.C. et al. (1957) The Structure of Vitamin B12 I. An Outline of the Crystallographic Investigation of Vitamin B12. Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences. Vol. 242, 228-263
[16] Rosalyn Yalow - sciencehistrory.org
[17] Yalow, R.S. and Berson, S.A. (1960) Immunoassay of endogenous plasma insulin in man. The Journal of Clinical Investigation. Vol. 39, 1157-1175
[18] Press release for the 1983 Nobel Prize in Physiology or Medicine
[19] McClintock, B. (1953) Induction of instability at selected loci in maize. Genetics. Vol. 38, 579-599
[20] Press release for the 1986 Nobel Prize in Physiology or Medicine
[21] Rita Levi Montalcini at jax.org
[22] Press release for the 1988 Nobel Prize in Physiology or Medicine
[23] Nüsslein-Volhard, C., Wieschaus, E., and Kluding, H. (1984) Mutations affecting the pattern of the larval cuticle in Drosophila melanogaster. Wilhelm Roux's archives of developmental biology. Vol. 193, 267–282
[24] Buck, L. and Axel, R. (1991) A novel multigene family may encode odorant receptors: A molecular basis for odor recognition. Cell. Vol. 65, 175-187
[25] Biography of Francoise Barré-Sinoussi at nobelprize.org
[26] Schluenzen, F. et al. (2000) Structure of Functionally Activated Small Ribosomal Subunit at 3.3 Å Resolution. Cell. Vol. 102, 615-623
[27] Press release for the 2009 Nobel Prize in Physiology or Medicine
[28] Varela, E. and Blasco, M.A. (2010) 2009 Nobel Prize in Physiology or Medicine: telomeres and telomerase. Oncogene. Vol. 29, 1561-1565
[29] Summary of the Sveriges Riksbank Prize in Economic Sciences in Memory of Alfred Nobel 2009 by nobelprize.org
[30] Nobel Prize awarded couples by nobelprize.org 
[31] Hafting, T., Fyhn, M., Molden, S., Moser M.-B., and Moser, E.I. (2005) Microstructure of a spatial map in the entorhinal cortex. Nature. Vol. 436, 801-806
[32] Biography of Tu Youyou by nobelprize.org
[33] A Revolution in Chemistry by nobelprize.org
[34] Summary of the 2018 Nobel Prize in Physics
[35] Women who changed the world by nobelprize.org


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