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Eine Karte der Genomvariationen aller Menschen dieser Erde

Das "1000 Genomes Project Consortium" hat seine Analyse der Pilotphase eines internationalen Großprojektes, in dem systematisch die genetischen Unterschiede der menschlichen Populationen untersucht werden, veröffentlicht. Aus Deutschland sind an dem Projekt neben Arbeitsgruppen des Max-Planck-Instituts für molekulare Genetik und der Universität Kiel auch Forscher des Europäischen Molekularbiologischen Laboratoriums in Heidelberg beteiligt.

Das 1.000 Genome-Projekt ist ein internationales Großprojekt, in dem Wissenschaftler von Forschungseinrichtungen aus den USA, Europa und Asien sowie Sequenzier-Unternehmen gemeinsam daran arbeiten, die genetischen Unterschiede der Menschen genau zu kartieren und in eine öffentlich zugängliche Datenbank einzustellen. Mit ihrer Hilfe können Forscher den Einfluss individueller genetischer Veränderungen auf verschiedene Erkrankungen wie zum Beispiel Diabetes und Krebs besser einschätzen. Untersucht wurden Menschen europäischer, westafrikanischer und ostasiatischer Herkunft.

Bei früheren Sequenzierprojekten wie dem Humangenomprojekt wurde das Erbmaterial mehrerer Personen vermischt, um ein sogenanntes Referenzgenom zu erzeugen. Aussagen über individuelle Genome können daraus nicht abgeleitet werden. Durch die enormen Fortschritte der Sequenziertechnik ist es heute möglich, ganze Genome „Buchstabe für Buchstabe“ zu lesen. Wissenschaftler des 1.000 Genome-Projekts untersuchten systematisch das Erbgut von 179 einzelnen Menschen aus verschiedenen Populationen. Zusätzlich wurde von 697 Personen das Transkriptom, also die proteinkodierenden Gene, sequenziert. Jeder DNA-Abschnitt wurde mehrmals sequenziert, so dass insgesamt mehr als 4,5 Terabasen (4,5 Billionen Bausteine) an DNA-Sequenz gelesen wurden. Die Karte der humanen genetischen Variationen, die in der ersten Phase des 1.000 Genome-Projekts erstellt wurde, enthält 15 Millionen Positionen, an denen einzelne Basen ausgetauscht sind, eine Million kürzerer Insertions- und Deletionsveränderungen und über 20.000 strukturelle Varianten. Weniger als die Hälfte der Varianten war bereits vorher bekannt. Die Projektdatenbank umfasst mehr als 95 Prozent aller heutzutage zu messenden Varianten.

Die genetischen Variationen zwischen Menschen können sehr klein sein und nur auf dem Austausch einzelner Basen beruhen; sie können aber auch durch große Veränderungen wie Verdopplungen oder Umlagerungen ganzer Chromosomenregionen verursacht werden. Einige Unterschiede treten häufig in weiten Teilen der Bevölkerung auf, während andere sehr selten sind. Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass jeder Mensch zwischen 250 und 300 genetische Abweichungen trägt, die die normale Funktion der betroffenen Gene verhindern. Weiterhin besitzt jeder von uns zwischen 50 und 100 genetische Variationen, die mit verschiedenen Erbkrankheiten assoziiert sind - zum Glück meist nur in einer der beiden Genkopien, so dass wir gesund bleiben, solange nicht auch die zweite Kopie verändert ist.

Dr. Jan O. Korbel, Genome Biology Research Unit, EMBL © EMBL

In der jetzigen Publikation in der Zeitschrift „Nature" wurden die Ergebnisse einer sehr genauen Genomanalyse von sechs Einzelpersonen aus sogenannten Kernfamilien (bestehend jeweils aus einem Vater, einer Mutter und einer Tochter) vorgestellt. Die Wissenschaftler fanden bei den Töchtern neue Varianten, die bei den Eltern nicht vorhanden waren. Daraus ließ sich abschätzen, dass bei jedem Menschen ungefähr 60 neue Mutationen auftreten, die bei den Eltern noch nicht vorhanden sind.

Mit dem Abschluss der Pilotphase ist das 1.000 Genome-Projekt in die Hauptphase eingetreten, in der innerhalb der nächsten zwei Jahre insgesamt 2.500 Einzelpersonen aus 27 verschiedenen Populationen untersucht werden sollen. Danach wird man etwa 99 Prozent aller Genvarianten des Menschen identifiziert haben. Das internationale Großprojekt wird von einem 24-köpfigen Steering Committee, darunter Prof. Hans Lehrach, Direktor des Max-Planck-Instituts für molekulare Genetik, geleitet. Vom Europäischen Molekularbiologischen Laboratorium in Heidelberg wirken Dr. Jan Korbel, Gruppenleiter der Genome Biology Research Unit, und sein Team mit. Beide Arbeitsgruppen sind auch im International Network of Cancer Genome Projects involviert (siehe BIOPRO-Artikel „Individuelle Genomsequenzierung - für wen?"). Die deutsche Beteiligung am 1.000 Genome-Projekt wurde durch die Unterstützung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung im Rahmen des Programms der Medizinischen Genomforschung NGFN-Plus gefördert.

Orginalveröffentlichungen:
The 1000 Genomes Project Consortium: A map of human genome variation from population scale sequencing. Nature 2010, DOI: 10.1038/nature09534

Stütz AM & Korbel JO: Potential and challenges of personalized genomics and the 1000 Genomes Project. Medizinische Genetik 22, 242-247 (2010)

Glossar

  • Eine Base ist ein Bestandteil von Nukleinsäuren. Es gibt vier verschiedene Basen: Adenin, Guanin (Purinabkömmlinge), Cytosin und Thymin bzw. Uracil (Pyrimidinabkömmlinge). In der RNA ersetzt Uracil Thymin.
  • Chromosomen sind die unter dem Mikroskop sichtbaren Träger der Erbanlagen. Die Anzahl der im Zellkern vorhandenen Chromosomen ist artspezifisch. Beim Menschen sind es zweimal 23. Mit Ausnahme der Geschlechtschromosomen liegen Chromosomen in Körperzellen sowie in befruchteten Eizellen paarweise als sog. homologe Chromosomen vor. In den Keimzellen ist nach Abschluss der Reifungsteilungen nur ein einfacher Chromosomensatz vorhanden.
  • Diabetes mellitus (Zuckerkrankheit) wird durch einen Mangel an Insulin hervorgerufen. Man unterscheidet zwei Typen. Bei Typ 1 (Jugenddiabetes) handelt es sich um eine Autoimmunkrankheit, bei der körpereigene Immunzellen die Beta-Zellen der Bauchspeicheldrüse, die Insulin produzieren, zerstören. Typ 2 (Altersdiabetes) ist dagegen durch eine Insulinrestistenz (verminderte Insulinempfindlichkeit der Zielzellen) und eine verzögerte Insulinausschüttung gekennzeichnet.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Das Genom ist die gesamte Erbsubstanz eines Organismus. Jede Zelle eines Organismus verfügt in Ihrem Zellkern über die komplette Erbinformation.
  • Mit Insertion ist im biologischen Zusammenhang meist das Einfügen von DNA-Abschnitten in ein anderes DNA-Molekül gemeint.
  • Mit dem Begriff Mutation wird jede Veränderung des Erbguts bezeichnet (z. B. Austausch einer Base; Umstellung einzelner DNA-Abschnitte, Einfügung zusätzlicher Basen, Verlust von Basen oder ganzen DNA-Abschnitten). Mutationen kommen ständig in der Natur vor (z. B. ausgelöst durch UV-Strahlen, natürliche Radioaktivität) und sind die Grundlage der Evolution.
  • Nukleotidsequenzen sind Abfolgen der Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin auf der DNA (bzw. Uracil statt Thymin bei RNA).
  • a) DNA-Sequenzierung ist eine Methode zur Entschlüsselung der Erbinformation durch Ermittlung der Basenabfolge. b) Protein-Sequenzierung ist eine Methode zur Ermittlung der Aminosäurenabfolge.
  • Mit Transkription im biologischen Sinn ist der Vorgang der Umschreibung von DNA in RNA gemeint. Dabei wird mithilfe eines Enzyms, der RNA-Polymerase, ein einzelsträngiges RNA-Molekül nach der Vorlage der doppelsträngigen DNA synthetisiert.
  • Molekular bedeutet: auf Ebene der Moleküle.
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