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Was ist wirklich passiert, als das menschliche Genom entziffert wurde – und passiert jetzt
Das menschliche Genom ist ein internationales Forschungsprojekt, dessen Hauptziel es war, die Sequenz der Nukleotide, aus denen die DNA besteht, zu bestimmen und 25 bis 30 Tausend Gene im menschlichen Genom zu identifizieren. Dieses Projekt wird als die größte internationale Zusammenarbeit aller Zeiten in der Biologie bezeichnet. Wikipedia
Die Sequenz des menschlichen Genoms ist in unserer DNA enthalten und besteht aus langen Ketten von „Basenpaaren“, die unsere 23 Chromosomen bilden. Entlang unserer Chromosomen befinden sich Sequenzen von Basenpaaren, aus denen unsere 30.000 Gene bestehen.
Vor 21 Jahren gaben US-Präsident Bill Clinton und der britische Premierminister Tony Blair sowie die Celera Genomics Corporation bekannt, dass das Human Genome Project – „initiale Sequenzierung des menschlichen Genoms“ / erste Bestimmung der DNA-Sequenzen von Genen, abgeschlossen ist. Von diesem Moment an trat die Biologie in die „postgenomische Ära“ ein.
Dieses Jahr 2000 als „Jahr der Entschlüsselung des menschlichen Genoms“ zu bezeichnen, kann nur bedingt sein – Wissenschaftler haben nur den ersten „Entwurf“ der DNA-Sequenz aller 23 menschlichen Chromosomen mit vielen Lücken erstellt. Die „saubere“ Version erschien drei Jahre später, im Jahr 2003. Danach endete das Humangenom-Projekt – aber es gab keine Entschlüsselung des menschlichen Genoms. Das Verstehen und Ergänzen der gewonnenen Daten dauert dann bis heute an.
Genetisches Teleskop
Das Human Genome Project wird manchmal als die erfolgreichste internationale wissenschaftliche Zusammenarbeit (Prozess gemeinsamer Aktivität) in der Wissenschaftsgeschichte bezeichnet. Der Optimismus in der wissenschaftlichen Gemeinschaft war jedoch anfangs nicht einhellig: Die Vorbereitung wurde von öffentlichen Diskussionen und verheerenden Artikeln begleitet, deren Autoren argumentierten, dass es unmöglich sei, die Sequenz der menschlichen DNA zu lesen, und das Geld der Steuerzahler ausgegeben werden sollte auf etwas Nützlicheres.
Obwohl die technische Fähigkeit zur Sequenzierung (Bestimmung der Sequenz) des Genoms bereits in den 70er Jahren gezeigt wurde, als das erste Genom des Virus entschlüsselt wurde, wagte man nicht sofort, das menschliche Genom zu entschlüsseln. Diese Idee nahm dank des Molekularbiologen Robert Sinsheimer von der University of California in Santa Cruz Gestalt an.
Robert war nicht nur ein bedeutender Forscher, sondern auch ein herausragender Wissenschaftsorganisator. Als Leiter der Universität von Santa Cruz hat er sie zu einer erstklassigen akademischen Einrichtung gemacht. 1985 organisierte er an dieser Universität ein Symposium, auf dem er über seine Idee sprach, die komplette Nukleotidsequenz in der menschlichen DNA zu entschlüsseln. Später entwickelte sich aus dieser Idee ein starkes internationales Projekt „Human Genome“.
Seine Astronomenkollegen arbeiteten damals an der Schaffung des (damals) größten erdgebundenen Teleskops, und Sinsheimer dachte über ein Projekt dieser Größenordnung in der Biologie nach.
1985 brachte er mehrere führende Genetiker zusammen, um ein Projekt zur Sequenzierung des menschlichen Genoms zu diskutieren. Das Team kam zu dem Schluss, dass die Idee verlockend, aber nicht umsetzbar war.
Zu diesem Zeitpunkt war selbst das „nur“ fünf Millionen Basenpaare große Genom von E. coli noch nicht entziffert, und die maximale Länge einer Nukleotidsequenz, die mit Sangers Methode gleichzeitig gelesen werden konnte, betrug mehrere hundert Nukleotide.
An der Diskussion nahm Walter Gilbert teil, der 10 Jahre zuvor seine Methode der DNA-Sequenzierung (bekannt als Maxam-Gilbert-Methode oder Methode des chemischen Abbaus von DNA) fast gleichzeitig mit Frederick Sanger vorgeschlagen hatte.
Walter Gilbert wurde von der Idee inspiriert, ein genomisches Institut zu schaffen und zog die Entdecker der DNA-Struktur, James Watson und Charles Delisi, die die Abteilung Gesundheit und Umwelt des US-Energieministeriums leiteten, an. Letztere sah das Genom-Projekt als logische Fortsetzung der Forschung zu den Auswirkungen von Strahlung auf den Menschen. Bereits 1986 berechneten sie die Kosten für die Entschlüsselung der Sequenz des menschlichen Genoms.
Skeptische Kollegen schätzten die Dauer des Projekts als zigjährige Routinearbeit ein, wenn DNA von kleinen Forscherteams „gelesen“ wird – und nur in diesem Fall kann ihrer Meinung nach die Arbeit gut gemacht werden. Der Arbeitsaufwand schien unglaublich groß. Watson und Delisi entschieden sich jedoch, auf große automatisierte Zentren und internationale Zusammenarbeit zu setzen. Der endgültige Plan für den US-Teil des Projekts war auf 15 Jahre ausgelegt und kostete drei Milliarden Dollar.
Diese Zahl erscheint groß – aber das Weltraumprojekt Apollo, das zwanzig Jahre zuvor umgesetzt wurde, kostete die Amerikaner zehnmal mehr (ohne Inflation). Gleichzeitig versprachen Wissenschaftler mit der Umsetzung des Humangenom-Projekts etwas nicht weniger Bedeutendes als einen Flug ins All – zumindest, um die Natur von 4000 Erbkrankheiten zu verstehen und die medizinische Genetik und verwandte Technologien voranzutreiben.
Trotz der Kritik und des Preises gelang es ihnen, sowohl das Energieministerium als auch die US-amerikanischen National Institutes of Health (NIH) durchzusetzen. 1990 startete das Projekt.
Das 3-Milliarden-Dollar-Projekt wurde 1990 vom US-Energieministerium und den National Institutes of Health offiziell ins Leben gerufen und sollte 15 Jahre dauern. An dem Projekt arbeiteten Mitarbeiter des International Human Genome Sequencing Consortium (International Human Genome Sequencing Consortium) aus 20 wissenschaftlichen Gruppen aus den USA, Großbritannien, Deutschland, Frankreich, Japan und China .
Aus dem einsamen Marathon des internationalen Konsortiums wurde wenige Jahre nach dem Start ein Rennen. Craig Venter, der ursprünglich eines der Labors der US-amerikanischen National Institutes of Health ( NIH) leitete, entwickelte eine neue Methode zur Untersuchung von Genomen, die als „Expressed Sequence Tags“ bezeichnet wird und den Prozess der Suche nach Genen aus ihren Transkripten erheblich beschleunigte.
Ausgestattet mit dieser Technologie und der Unterstützung von Risikokapitalgebern verließ er das NIH und gründete das TIGR Institute for Genomic Research.
1998 tat sich Venter mit dem Hersteller von automatischen Sequenzern unter dem Namen Celera Genomics zusammen und kündigte an, auch an der Entschlüsselung des menschlichen Genoms zu arbeiten. Venter, der acht Jahre später als Human Genome begann, sollte die Aufgabe in nur drei Jahren abschließen – während das internationale Konsortium nicht früher als sieben Jahre fertig war.
Sein Unternehmen plante, daraus Kapital zu schlagen, indem es Gene patentieren ließ, die mit Erbkrankheiten in Verbindung stehen (im Jahr 2000 sagte Clinton jedoch, dass die Genomsequenz öffentlich ist und nicht patentiert werden kann, so dass die Bemühungen des Geschäftsmannes in gewisser Weise vergeblich waren).
Das Aufkommen eines Konkurrenten beflügelte das Humangenom, und das Ziel wurde schließlich zwei Jahre zuvor erreicht. Das Bundesprojekt wurde mit Celera abgestimmt und die Ergebnisse beider Projekte gleichzeitig auf der gleichen Pressekonferenz am 26. Juni 2001 bekannt gegeben.
An dem Raum nahmen der Gründer von Human Genome, Jim Watson, und John White, Direktor der PE Corporations, die Venter sponserten, teil, die beide deutlich machten, dass der Krieg in einer schlechten Welt zu Ende gegangen war. Der Artikel von Venters Gruppe wurde einen Tag nach der Veröffentlichung des Artikels „The Human Genome“ in Nature in Science veröffentlicht.
Bis zum Projektstart im Jahr 1990 waren mehrere kurze virale Genome und Plasmide (zusätzliche zirkuläre DNA-Moleküle aus Bakterien) entschlüsselt, deren Größe auf zehntausende Basenpaare beschränkt war. Das „menschliche Genom“ sollte ein um mehrere Größenordnungen größeres Genom lesen: drei Milliarden Paare – so viele „Buchstaben“ enthält ein einzelner Satz menschlicher Chromosomen (23 Chromosomen). Der Mehrheit zufolge soll die Zahl der Gene in dieser „Chronik“ etwa 100.000 betragen haben.
Es überrascht nicht, dass diese Aufgabe vielen führenden Genetikern unüberwindbar schien. Im Laufe des Projekts erleichterten jedoch technologische Fortschritte den Wissenschaftlern die Arbeit.
Erste Ergebnisse und Weiterentwicklung
Bis zum Jahr 2000 war es möglich, sich ein Bild von der menschlichen DNA-Sequenz in der Zusammensetzung von Euchromatin zu machen – den Stellen, von denen aus die Transkription aktiv durchgeführt wird, also das Auslesen von Daten durch die RNA-Polymerase. Laut Wissenschaftlern macht Euchromatin etwa 95 Prozent des gesamten Genoms aus. Der Rest der DNA ist in dicht gepackten Proteinkomplexen versteckt und die meiste Zeit stumm.
Nach der Entschlüsselung musste die Zahl der Gene im menschlichen Genom von 100.000 auf 30.000 reduziert werden – diese Zahl sei nur doppelt so groß wie die einer Fliege oder eines Wurms, schreiben die Autoren der historischen Publikation in Nature.
Wissenschaftler erfuhren auch, dass das menschliche Genom viele Wiederholungen und bewegliche Elemente enthält, von denen die überwiegende Mehrheit nicht mehr funktioniert. Darüber hinaus ist das menschliche Genom sehr vielfältig – Genetiker haben geschätzt, dass die Anzahl der Einzelnukleotid-Polymorphismen darin (Bereiche, in denen verschiedene Menschen das eine oder andere Nukleotid haben können) 1,5 Millionen erreicht. Dies wurde unter anderem dadurch deutlich, dass das Projekt DNA von einer Vielzahl von Freiwilligen und nicht von einer Person verwendet.
Genom für die Medizin
In den zwanzig Jahren seit dem Abschluss der Zusammenstellung des Entwurfs des Genoms haben sich die Technologien zur Sequenzierung und Sequenzanalyse so weit entwickelt, dass es Sie heute nicht drei Milliarden Dollar kostet, sondern nur ein paar Hundert, um die Sequenz der kodierenden Regionen herauszufinden des Genoms (Exom).
Genomische Studien können zeigen, dass Träger dieser Variante eines Gens beispielsweise fünfmal häufiger an einer Krankheit leiden als Träger einer anderen Variante. Dieses Wissen kann Ihnen helfen, Ihren Lebensstil anzupassen, um die Wahrscheinlichkeit nachteiliger gesundheitlicher Auswirkungen zu minimieren. Aber die Berechnung des Krankheitsrisikos basiert vollständig auf Statistiken, während es noch Raum für die Entwicklung des mathematischen Apparats gibt.
Was die Vorhersage des Genoms eines Kindes für Sport und Musik betrifft, so ist dies natürlich immer noch eine Sache der Fantasie. Die Genom- oder Exom-Sequenzierung gewichtet derzeit jedoch den Schwerpunkt auf der fetalen Genetik, die „gesunde“ Kinder zur Welt bringt, wenn die Eltern Träger einiger schädlicher Mutationen sind.
