Zum ersten Mal waren Wissenschaftler in der Lage, das vollständige menschliche Genom zu sequenzieren und dabei nie zuvor gesehene DNA-Regionen freizulegen, die für Dinge wie Muskeldystrophie, einige Krebsarten und sogar unser großes Gehirn kodieren.
Als das Humangenomprojekt 2003 seine Sequenzierung abschloss, bot es ein genaues Bild von 92 Prozent unseres Genoms. Die verbleibenden 8 Prozent waren für die damalige Technologie zu komplex, um sie abzubilden, und seitdem arbeiten Forscher daran, ein vollständiges Bild des DNA-Bauplans zu liefern, der uns zum Menschen macht.
Das Team hinter der Entdeckung – genannt Telomere-to-Telomere Consortium (T2T) – sagt, dass die neu kartierten Bereiche unseres Genoms zu innovativen Behandlungen und einem besseren Verständnis der menschlichen Variation führen könnten.
Was ist das menschliche Genom?
Das menschliche Genom ist die Gesamtheit der DNA einer Person. Es umfasst etwa 21.000 Gene, die, wenn man sie einer einzelnen Zelle entnimmt und ausdehnt, einen etwa 2 Meter langen Strang bilden würden. Diese Gene sind segmentiert und werden oft in 46 Bündeln gruppiert gefunden, die als Chromosomen bekannt sind.
„Das Genom ist das vollständige Buch mit Anweisungen für eine Art, und jede Art hat ihr eigenes Genom. Es ist im Grunde die Blaupause, die den Zellen sagt, wie und wann sie ein Individuum dieser Art erschaffen sollen“, sagte Dr. Karen Miga, Assistenzprofessorin für Biomolekulartechnik an der UC Santa Cruz.
Zusammen mit Dr. Adam Phillippy vom National Human Genome Research Institute leitete Miga ein internationales Team von Wissenschaftlern bei der Suche nach den fehlenden Abschnitten des menschlichen Genoms.
„[Als das erste Genom 2003 sequenziert wurde] hatten wir das Buch, aber es fehlten ganze Kapitel. Im Laufe der Jahre haben wir hier und da Seiten hinzugefügt, Text entschlüsselt oder einige Fehler korrigiert. Aber jetzt gehen wir von Seite zu Seite eins bis zur letzten Seite des Buches. Wenn wir dies haben, können wir besser verstehen, wie wir uns als Organismus bilden und wie wir uns von anderen Menschen und anderen Arten unterscheiden", sagte Miga.
Was wurde in unserer fehlenden DNA gefunden?
Die 8 Prozent versteckt stellten eine riesige Lücke im medizinischen und genomischen Wissen dar. „Auf einer Weltkarte sind 8 Prozent etwa so groß wie Afrika, also fehlte fast ein ganzer Kontinent“, sagte Miga.
Unter den neu sequenzierten Informationen befanden sich zwei entscheidende Bereiche unserer Chromosomen:die Telomere und die Zentromere.
Telomere sind kleine Kappen, die sich am Ende unserer Chromosomen befinden. Es sind diese Bereiche unserer Chromosomen, die sich mit zunehmendem Alter verkürzen. Einige Untersuchungen haben gezeigt, dass Menschen mit kürzeren Telomeren als normal für ihr Alter ein erhöhtes Risiko für Alterskrankheiten haben und früher sterben als Menschen mit längeren Telomeren. Studien deuten darauf hin, dass die Verlängerung der Telomere eine Möglichkeit ist, den Alterungsprozess zu verlangsamen.
Die Zentromere sind die Strukturen in der Mitte des Chromosoms. Dieser Bereich ist während der Zellteilung wichtig, da an dieser Engstelle Proteine anhaften und die DNA aufspalten, damit sie zwischen den beiden neuen Zellen geteilt werden kann.
"Probleme oder Fehler in den Zentromeren sehen wir bei Krebs, Alterung und Unfruchtbarkeit", sagte Miga.
Das neue Genom namens T2T-CHM13 enthüllte fast 2.000 Kandidatengene, die Forscher nun weiter untersuchen können.
Einige Abschnitte wurden vom Team bereits identifiziert, um Gene zu enthalten, die mit unserer Immunantwort in Verbindung stehen, die uns helfen, Infektionen und Seuchen zu überleben, sagte Prof. Evan Eichler vom Eichler Lab in der Abteilung für Genomwissenschaften der University of Washington. Sie fanden auch wichtige Bereiche, die vorhersagen können, wie eine Person auf bestimmte Medikamente und Behandlungen ansprechen könnte, sagte Eichler.
„Einige dieser [neuen Erkenntnisse] sind die Gene, die uns einzigartig menschlich machen – die Hälfte der Gene, von denen angenommen wird, dass sie für unsere größeren Frontallappen verantwortlich sind, die unser Gehirn größer als das anderer Primaten machen, befinden sich in diesen neu sequenzierten Regionen“, sagte Eichler.
Nach der Sequenzierung verglich das Team sein neues menschliches Genom mit anderen vorhandenen DNA-Proben und über einer Million neuer genetischer Varianten, von denen viele noch nie zuvor gesehen wurden.
„Innerhalb zuvor ungelöster Regionen des Genoms haben wir Hunderttausende von Varianten identifiziert … eine vielversprechende Gelegenheit für evolutionäre und biomedizinische Entdeckungen“, schrieben die Forscher.
Genetische Varianten werden bereits verwendet, um Behandlungen für einige Erkrankungen zu unterstützen, beispielsweise um bestimmte Arten von Brustkrebs mit spezialisierten Therapien anzugreifen, und es wird angenommen, dass die neue Genomkarte nur mehr genetisch bedingte Krankheiten ans Licht bringen wird.
„Wir sehen bereits einige [genomspezifische Behandlungen], aber ich gehe davon aus, dass wir zu Lebzeiten meines kleinen Sohnes immer mehr sehen werden, wenn wir neue Dinge über die Rolle genetischer Varianten lernen“, sagte Prof. Michael Schatz, der Co- Leitung für das Abweichungsteam von T2T.
„Wir finden Varianten, die nur mit diesen neuen Technologien nachweisbar sind. Sind diese kausal [in Bezug auf Krankheiten]? Das können wir nicht sagen. Aber dass es eine ganze Klasse von Varianten gibt, die wir vorher noch nicht sehen konnten, finde ich sehr spannend“, sagt Schatz.
Wessen DNA wurde im neuen Humangenomprojekt verwendet?
Das in der Forschung verwendete Genom „repräsentiert keine Person, die jemals gelebt hat“, sagte Phillippy. Es stammt aus einer speziellen Zelle, die entsteht, wenn sich ein Spermium mit einer leeren Eizelle verbindet. Im Gegensatz zu normalen Zellen, die aus einer Vereinigung von Spermium und Eizelle hervorgegangen sind und je zur Hälfte die DNA der Mutter und des Vaters enthalten, enthielt diese spezialisierte Zelle nur die genetische Information des Spermiums. Es wurde vor über 20 Jahren gesammelt und die Spender bleiben anonym.