Genom-Analyse: Forscher entziffern erstmals Erbgut einer ganzen Familie

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Bisher wurden nur wenige menschliche Genome entziffert, nun haben Wissenschaftler den Erbgut-Code einer ganzen Familie ausgelesen und miteinander verglichen. Die DNA-Sequenzen von Eltern und Kindern hielten einige Überraschungen parat.

DNA-Doppelhelix: "Die Mutationsrate ist unsere Uhr" Zur Großansicht
DPA/ Quiagen

DNA-Doppelhelix: "Die Mutationsrate ist unsere Uhr"

Alles begann mit Gregor Mendel. Mitte des 19. Jahrhunderts begründete der Augustinermönch mit seinen Erbsen-Kreuzungsversuchen die Genetik. Mendel erstellte Stammbäume und erforschte, wie Merkmale über Generationen vererbt werden.

Die nach Mendel benannten mendelschen Vererbungsgesetze galten aber nicht nur für Erbsen, sondern auch für Menschen - und so manche ihrer Erbkrankheiten. Mukoviszidose, Chorea Huntington, Rot-Grün-Blindheit, Bluterkrankheit sind nur einige Beispiele für Krankheiten, bei denen Humangenetiker anhand von Familienstammbäumen das Erkrankungsrisiko für eine Personen mit familiärer Belastung ermitteln können.

Parallel zur klassischen entwickelte sich die molekulare Genetik seit dem 20. Jahrhundert weiter: DNA als Träger des Erbguts wurde entdeckt, der genetische Code entschlüsselt und im Jahr 2003 mit dem Human Genome Project schließlich das Erbgut des Menschen erstmals vollständig entziffert. Die Preise für das Lesen eines Genoms befinden sich seitdem im freien Fall. Drei Milliarden US-Dollar kostete das Human Genome Project. Der derzeit niedrigste Preis für eine Genomsequenzierung beträgt 4400 Dollar. Erklärtes Ziel der Molekularbiologen ist es, die 1000-Dollar-Marke zu knacken. Irgendwann wird dann jeder einmal seinen Erbgutcode auf der Krankenkassenkarte mit sich herumtragen.

Kinder litten an zwei seltenen Erbkrankheiten

Doch noch hat die Ära des persönlichen Genoms nicht begonnen, nur wenige menschliche Genome sind seither entziffert worden. Im Club der etwa 12 Sequenzierten befinden sich unter anderem der DNA-Struktur-Entdecker James Watson, der Gen-Pionier Craig Venter und seit kurzem auch Erzbischof Tutu. Das soll sich ändern. Der Genforscher George Church von der Harvard Medical School beispielsweise hat das 1000-Genomes-Project gestartet. Ziel ist es, mehr Genome von möglichst unterschiedlichen ethnischen Gruppen miteinander vergleichen zu können.

Doch auch im Genom-Zeitalter sind Familienstammbäume immer noch wichtig, wie nun Wissenschaftler um Jared Roach und David Galas vom Institute for Systems Biology in Seattle und Lynn Jorde von der University of Utah im Fachmagazin "Science" zeigen. Sie haben erstmals die Genome einer vierköpfigen Familie - Vater, Mutter, Sohn und Tochter - entziffert und Buchstabe für Buchstabe die Erbgutcodes miteinander vergleichen.

Das Besondere dabei war, dass die Kinder an zwei seltenen Erbkrankheiten litten, dem Kartagener- und dem Miller-Syndrom. Bei ersterem liegen die inneren Organe seitenverkehrt im Körper, das Herz ist also rechts statt links. Die Betroffenen leiden an einer Störung der Flimmerhärchen-Bewegung in den Lungen, was die Atemwegsorgane verschleimen lässt und chronischen Husten und Atemwegsinfektionen hervorruft. Beim Miller-Syndrom treten im Gesicht und den Extremitäten zahlreiche Missbildungen auf. Die Eltern waren zwar gesund, trugen aber dennoch eine defekte Kopie der entsprechenden Gene in ihrem Erbgut - und übertrugen sie somit an ihre Kinder.

Mutationsrate war nur halb so hoch wie angenommen

Beide Krankheiten sind selten, die Wahrscheinlichkeit, dass sie in Kombination auftreten, beträgt laut Lynn Jorde 1 zu 10 Milliarden. Beide Krankheiten werden zudem rezessiv vererbt, das heißt, Betroffene müssen das jeweilige Krankheits-Gen sowohl von Vater als auch von der Mutter bekommen. Welcher Gendefekt das Miller-Syndrom verursacht, war bisher unbekannt. Dank der Genom-Familienanalyse konnten die Forscher die Zahl der Kandidatengene für das Miller-Syndrom auf vier reduzieren.

Außerdem fanden sie noch etwas Interessantes heraus: Die Anzahl der Mutationen, die von den Eltern auf ihre Kinder vererbt werden, ist offenbar geringer als bisher angenommen. Die Forscher verglichen die Erbgutsequenzen mit denen der Kinder und konnten die Zahl der Mutationen zählen, die beim Generationenwechsel aufgetreten war. Es waren etwa 70. "Die Mutationsrate war nur etwa halb so hoch wie wir dachten", sagt Jorde.

Die genaue Kenntnis der Mutationsrate pro Generation ist wichtig, weil mit ihrer Hilfe Genetiker evolutionäre Beziehungen ableiten - also wann sich Arten voneinander getrennt haben oder wie lange Volksstämme voneinander getrennt sind. Auch frühere Wanderungsbewegungen von Urmenschen kann man daran ablesen. "Die Mutationsrate ist unsere Uhr", sagte Jorde. "Jedes Mal, wenn sie tickt, haben wir eine neue genetische Variante. Und wir müssen wissen, wie schnell diese Uhr tickt."

Jorde, Roach und Gals konnten außerdem genau sehen, wo die Chromosomen sich neu durchmischt hatten. Bei der Zeugung befruchtet eine Samenzelle mit einem väterlichen Chromosomensatz eine Eizelle mit einem mütterlichen. Bei der Reifeteilung der elterlichen Samen- und Eizellen werden die elterlichen Zellen mit dem doppelten Chromosomensatz auf einen einfachen Chromosomensatz reduziert. Dabei werden aber ganze Stücke der Chromosomenpaare untereinander ausgetauscht. Wo die Bruchstellen dieser Stücke sind, konnten die Forscher nun direkt im Erbgutvergleich von Eltern und Kindern sehen - sie mussten nur Ausschau halten, wo lange DNA-Abschnitte bei den Kindern mit denen der Eltern übereinstimmten und wo es Brüche gab.

Die Wissenschaftler glauben, dass sich zukünftig nicht nur das persönliche Genom in den medizinischen Akten eines Patienten wiederfinden wird, sondern auch die seiner Familie.

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Forum - Diskussion über diesen Artikel
insgesamt 3 Beiträge
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1. Irgendwann wird dann jeder einmal seinen Erbgutcode auf der Krankenkassenkarte ...
wildfuchs 11.03.2010
Dieser Artikel ist mir nicht kritisch genug. Ja, es ist interessant eine Familie zu sequenzieren. Aber wer will ernsthaft eine Zukunft, in der sein Genom fuer Krankenkassen etc. verfuegbar ist. Wenn man den Artikel liest meint man, dass es eine zwangslaeufige Entwicklung waere, die dahin fuehrt. Und das dieses auch ganz okay sei. Ich denke das sehen auch viele Wissenschaftler anders.
2. Es gibt Vor- wie Nachteile
JaguarCat 12.03.2010
Zitat von wildfuchsAber wer will ernsthaft eine Zukunft, in der sein Genom fuer Krankenkassen etc. verfuegbar ist.
Pro Sequenzierung spricht, dass man dann tatsächlich bestimmte zu erwartende Krankheiten frühzeitig behandeln kann und Medikamentengaben i.d.R. genauer dosieren kann, weil man z.B. weiß, wie schnell das die Leber wieder abbaut. Contra Sequenzierung spricht natürlich, dass die Menschen dann aufgrund irgendwelcher Codes in "gut" und "weniger gut" eingeteilt werden können. Wo das hinführt, haben wir ja schon in der Vergangenheit erlebt gehabt. Ich befürchte aber auch, dass es sich nicht aufhalten lassen wird. Jag
3. Pro&Contra
Daniel28 13.03.2010
Zitat von JaguarCatPro Sequenzierung spricht, dass man dann tatsächlich bestimmte zu erwartende Krankheiten frühzeitig behandeln kann und Medikamentengaben i.d.R. genauer dosieren kann, weil man z.B. weiß, wie schnell das die Leber wieder abbaut. Contra Sequenzierung spricht natürlich, dass die Menschen dann aufgrund irgendwelcher Codes in "gut" und "weniger gut" eingeteilt werden können. Wo das hinführt, haben wir ja schon in der Vergangenheit erlebt gehabt. Ich befürchte aber auch, dass es sich nicht aufhalten lassen wird. Jag
Die Genetik ist viel zu komplex, um sie in einfache "gut - weniger gut"-Schemata verpacken zu können.
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Lexikon
DNA
Die DNA (chemisch: Desoxyribonukleinsäure) ist ein in allen Lebewesen und DNA-Viren vorkommendes Biomolekül und Trägerin der Erbinformation. Sie enthält unter anderem die Gene, die für RNA (Ribonukleinsäuren) und Proteine kodieren, welche für die biologische Entwicklung eines Organismus und den Stoffwechsel in der Zelle notwendig sind. Vom Aufbau her ist die RNA der DNA ähnlich, beide bestehen aus verketteten Grundbausteinen, den Nukleotiden. RNA-Moleküle sind – im Gegensatz zur doppelsträngigen DNA – in der Regel einzelsträngig.
Boten-RNA
Als Boten-RNA, fachlich auch Messenger-RNA, wird die "Abschrift" eines Proteingens bezeichnet. Sie dient dann der "Übersetzung" der genetischen Bauanweisung in das entsprechende Protein.
Mikro-RNA
Bei Mikro-RNAs (fachlich kurz: miRNAs) handelt es sich um einzelsträngige RNA-Moleküle von etwa 21 Nukleotiden Länge. Sie spielen bei der Steuerung einer Vielzahl von zellulären Prozessen eine entscheidende Rolle: Bei Pflanzen regulieren sie Wachstum und Blütenbildung, in der Taufliege den programmierten Zelltod, in menschlichen Zellen die Differenzierung von potentiell unsterblichen Stammzellen zu spezialisierten Geweben.
Spleißen
Spleißen heißt ein wichtiger Schritt bei der Bearbeitung der primären RNA-Abschrift vieler Gene im Zellkern, die eine Art Informationsmosaik enthalten. Dabei entsteht aus der recht langen Primärabschrift durch Herausschneiden und Zusammenfügen (Spleißen) relevanter Abschnitte erst die reife Boten-RNA. Auf diesem Weg kann die Zelle auch mehr als eine Proteinsorte nach demselben Gen erzeugen.
Ribozyme
Ribozyme von Ribonukleinsäure (RNA) und Enzym sind katalytisch aktive RNA-Moleküle, die wie Enzyme chemische Reaktionen katalysieren.
Transgene Organismen
Transgene Organismen sind gentechnisch veränderte Lebewesen, denen man zusätzliche Gene aus anderen Arten eingebaut hat.

Gen-Vokabular
Das menschliche Genom
Der Mensch hat in jeder seiner Körperzellen zweimal 23 Chromosomen. Die sind nichts anderes als lange Stränge von Desoxyribonukleinsäure, kurz DNA. Sie setzt sich unter anderem zusammen aus vier Grundbausteinen, den Nukleinbasen Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin (abgekürzt A, C, G und T). In der DNA-Doppelhelix sind die Basen in Paaren angeordnet. Die menschliche DNA besitzt etwa drei Milliarden Basenpaare. Bestimmte Abschnitte von Basenpaaren bilden Gene - die Blaupause für die Proteine. Nach derzeitiger Schätzung hat der Mensch etwa 25.000 Gene.
SNPs
Das Erbgut zweier Menschen ist sich zu 99,9 Prozent ähnlich, alle angeborenen Unterschiede werden von weniger als 0,1 Prozent der DNA bestimmt. Ein großer Teil dieser Variationen sind sogenannte Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs oder "Snips") - Teilstücke der langen Buchstabensequenz aus A, C, G und T, die sich in genau einem Buchstaben unterscheiden, etwa wie diese beiden: GATCGA - GATGGA. Viele der häufigsten Krankheiten können mit dem Auftreten bestimmter SNPs in Verbindung gebracht werden. Jeder einzelne SNP hat aber unter Umständen nur einen schwachen Effekt.
Haplotyp
Haplotyp nennt man Gegenden auf dem DNA-Strang eines Chromosoms, in denen bestimmte SNPs gehäuft auftreten. Größere Gruppen von Menschen teilen oft den gleichen Haplotyp. Wer an einer bestimmten Stelle ein A und an einer anderen ein C hat, bei dem lässt sich dann vorhersagen, wie alle anderen SNPs in der betreffenden Sequenz aussehen - ohne, dass man jeden Buchstaben einzeln untersuchen muss.
HapMap
Im Oktober 2007 wurde die HapMap (die Haplotyp-Karte) publiziert. Mit großem Aufwand sammelte ein internationales Konsortium von Wissenschaftlern dafür DNA von Menschen aus verschiedenen Weltgegenden. Nahezu alle Haplotypen, die häufiger als bei fünf Prozent der Menschheit vorkommen, sollen auf der HapMap erfasst sein. Das spart bei Genom-Untersuchungen Arbeit: Kennt man einige entscheidende SNPs einer Person, kann man nun auf den Haplotyp in dieser Region der DNA schließen, weiß also automatisch über alle anderen SNPs der Person in diesem Bereich bescheid. Analysen werden einfacher - und billiger. Die HapMap-Daten sind frei verfügbar.