Wissenschaft: DNA gelesen: Der Mensch ist entziffert

Rund 20 Jahre nach der Entzifferung des menschlichen Erbguts präsentieren Forscher eine neue und diesmal wirklich lückenlose Sequenz des Humangenoms. Die Reihenfolge der mehr als drei Milliarden einzelnen Bausteine des Erbgutmoleküls DNA liege nun vollständig vor, berichten die über 100 Forscher internationaler Einrichtungen in sechs Studien in Science.

Das neue Referenzgenom werde nicht nur neue, grundlegende Erkenntnisse zur menschlichen Biologie ermöglichen, sondern auch die Erforschung von Krankheiten und ihrer Behandlung verbessern. Auch Fragen zur Evolution des Menschen und seiner Verbreitung über die Erde könnten mithilfe der erweiterten genetischen Informationen untersucht werden.

"Ein vollständiges Bild vom menschlichen genetischen Erbe"

2001 hatten Forschende der staatlich finanzierten Human Genome Organisation (HUGO) sowie der private Genforscher und damalige Präsident der Firma Celera Genomics, Craig Venter, erste Blaupausen des menschlichen Genoms vorgelegt. Sie wiesen noch erhebliche Lücken auf. 2003 verkündeten die HUGO-Wissenschaftler dann die Fertigstellung der Sequenzierung.

Doch auch diese Version war nicht perfekt. Etwa 8 Prozent der genetischen Information fehlten. „Jetzt“, so erläutert David Haussler von der University of California Santa-Cruz, „können wir auf der Spitze des Berges stehen und die ganze Landschaft darunter sehen und uns ein vollständiges Bild von unserem menschlichen genetischen Erbe machen.“

Die genetische Information aller Lebewesen steckt verschlüsselt in den vier Grundbausteinen des Erbgut-Moleküls DNA, den sogenannten Basen. Die Reihenfolge dieser Einzelbausteine – häufig auch Buchstaben genannt – entscheidet unter anderem darüber, welche Eiweiße im Körper gebildet werden, die wiederum quasi alle Lebensprozesse steuern. Die komplette Information ist beim Menschen auf 23 Chromosomen verteilt, die in fast allen Zellen doppelt vorliegen.

Um die Abfolge der Buchstaben im DNA-Molekül zu bestimmen, schneiden die Forscher die DNA zunächst in Schnipsel. Sequenziermaschinen bestimmen dann die Reihenfolge der einzelnen Bausteine. Überlappungen zwischen den Schnipseln ermöglichen hinterher, die Stücke wieder zu einem Ganzen zusammenzupuzzeln.

"Wichtig für das Verständnis von Krankheiten und der Evolution"

Schwierigkeiten machen dabei allerdings Regionen, in denen sich bestimmte Buchstabenfolgen häufig wiederholen. „Repetitive Sequenzen“ finden sich vor allem an den Enden der Chromosomen – und in der Centromer-Region, die jedes Chromosom in einen kurzen und einen langen Arm unterteilt und die bei der Zellteilung wichtig ist. „Diese Teile des menschlichen Genoms, die wir seit mehr als 20 Jahren nicht untersuchen konnten, sind wichtig für unser Verständnis der Funktionsweise des Genoms, genetischer Krankheiten sowie der menschlichen Vielfalt und Evolution“, so die Forschenden.

Bessere Sequenziermaschinen ermöglichen inzwischen, längere Abschnitte des Erbguts auf einmal zu bestimmen. Eine Methode kann zeitgleich bis zu einer Million Bausteine mit akzeptabler Fehlerquote lesen, eine andere schafft 20.000 Buchstaben fast fehlerfrei – ein „game changer“, so die Forschenden. Um die Sequenzierung zu vereinfachen, nutzten sie zudem besondere Tumorzellen des Menschen, die nur väterliche DNA enthalten. Von den beiden Geschlechtschromosomen X und Y wurde nur das Y-Chromosom analysiert.

Nächstes Ziel: Das Erbgut von Menschen aus unterschiedlichen Weltregionen

Im Ergebnis haben die Forscher nun für jedes Chromosom die komplette Abfolge der Buchstaben von einem Ende zum anderen vorliegen. Die neue Sequenz enthalte 200 Millionen bisher unbekannte Basen; in ihnen steckt die Information von 99 Genen, die vermutlich jeweils ein Protein bilden. Zahlreiche Fehler der vorhergehenden Sequenzen seien korrigiert und von fünf Chromosomen die kurzen Enden erstmals vollständig entziffert worden.

In der menschlichen Bevölkerung sei die Komplexität des Genoms höher als in dem vorgestellten Referenzgenom, trotz dessen hoher Qualität, schreibt US-Forscherin Deanna Church in einem Kommentar in Science. Nichtsdestotrotz erleichtere ein korrekt zusammengestelltes menschliches Genom samt der repetitiven Bereiche die Analyse dieser biomedizinisch wichtigen Regionen bei anderen Menschen und nicht menschlichen Primaten.

Die nun vollständig vorliegende Sequenz des Humangenoms wird aber nicht die letzte präsentierte sein. Es laufen bereits Arbeiten an einem Genom, das aus mütterlicher und väterlicher Erbinformation zusammengesetzt ist. Das Humane Pangenom Konsortium wiederum möchte die DNA von 350 Menschen aus unterschiedlichen Weltregionen sequenzieren, um die Diversität der menschlichen Bevölkerung besser zu erfassen.