Das Königreich der Gene III: Was? Das „menschliche Genom“, das wir in unseren Händen halten, ist nicht die „vollständige Version“?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Li Lei

Hersteller: China Science Expo

In „The Gene Kingdom II“ haben wir die Höhen und Tiefen von Genen bis hin zu Genomen vorgestellt. Dank der gemeinsamen Anstrengungen von sechs Ländern haben wir das Humangenomprojekt ins Leben gerufen und im Jahr 2001 der Welt das menschliche Genom bekannt gegeben.

Aber verfügen wir bereits über ein vollständiges menschliches Genom?

Die Antwort ist nein.

Das menschliche Genom ist nicht vollständig

Tatsächlich gibt es auch nach Abschluss des Humangenomprojekts noch viele Mängel. Ein typisches Beispiel hierfür ist die Unvollständigkeit des „menschlichen Genoms“.

Wir stellen uns das Genom als eine Linie vor, die von Anfang bis Ende aus ATGC besteht, aber das ist tatsächlich nicht der Fall. Das Genom ist im menschlichen Körper in Form von Chromosomen verteilt. Der menschliche Körper verfügt insgesamt über 23 Chromosomenpaare. Wenn also das menschliche Genom ein kleiner Bereich ist, können wir es als verschiedene Baueinheiten verstehen, da das Genom selbst in verschiedene Chromosomen unterteilt ist.

Theoretisch sollte das menschliche Genom aus 23 Paaren bestehen, das heißt aus 22 Paaren von Einheitsstrukturen, die Autosomen genannt werden, plus der Geschlechtschromosomenstruktur, die aus zwei Geschlechtschromosomen, X-Chromosomen und Y-Chromosomen besteht, und einer zusätzlichen mitochondrialen Genstruktur. Zusammen bilden sie das menschliche Genom.

In Wirklichkeit ist das von uns erhaltene Genom jedoch nicht nur in diese Einheitsstrukturen unterteilt. Jedes Wohngebäude selbst verfügt über einige Zwischengeschosse. Diese schwebenden Böden sind nicht nicht existent, aber unsere damalige Technologie konnte sie nicht lesen.

Das typischste Beispiel sind beispielsweise sich wiederholende Sequenzen. Obwohl unser Genom aus ATGC besteht, treten häufig einige repetitive DNA-Sequenzen auf. Beispielsweise werden manchmal 2–20 Nukleotideinheiten hunderte oder tausende Male wiederholt. Diese Form der Wiederholung lässt sich den Wissenschaftlern zufolge zumindest in gewöhnliche Wiederholungen und fragmentarische Wiederholungen unterteilen.

Um zwei konkrete Beispiele zu nennen: Es gibt Dutzende von Ts – „TTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTT“ und D21S11 (variable Anzahl von TCTA- und TCTG-Wiederholungen (TCTA)n(TCTG)n(TCTA)nTA(TCTA)nTCA(TCTA)nTCCATA(TCTA)n), die häufig bei Vaterschaftstests verwendet werden. Zu diesem Zeitpunkt ist es uns durch unsere Sequenzierung nicht möglich, den Standort und die spezifischen Informationen zu ermitteln. Darüber hinaus befinden sich diese Sequenzen häufig an besonderen Stellen, beispielsweise am Zentromer in der Mitte des Chromosoms und an den Telomeren am Ende.

Das Ergebnis ist, dass das menschliche Genom, das wir erhalten haben, aufgrund der damals verfügbaren Technologie unzählige Lücken aufweist. Wie groß sind diese Lücken? Zusammen machen sie etwa 8 % des menschlichen Genoms aus.

Genomsequenz

(Bildquelle: Wissenschaft)

Um dieses Problem zu lösen, haben Wissenschaftler versucht, Wege zu finden, diese Lücken zu schließen.

Seit 2003 arbeitet ein internationales Forschungsteam, das Telomere to Telomere Consortium (T2T), intensiv an der Entschlüsselung der Sequenzen dieser komplexen Regionen. Anfangs ging die Arbeit des Konsortiums nur langsam voran, da sich diese Regionen oft wiederholten und es für unsere Computer schwierig war, die Reihenfolge und spezifische Zusammensetzung der sich wiederholenden Regionen zu unterscheiden.

Sie können vielleicht erraten, was den Wendepunkt herbeigeführt hat. Ja, es war wieder eine technologische Innovation. Erst mit der Entwicklung einer neuen Sequenzierungstechnologie entstand Hoffnung auf eine Lösung dieses Problems. Bei dieser Technologie handelt es sich um eine Langfragment-DNA-Sequenzierungstechnologie, auch bekannt als Sequenzierungstechnologie der dritten Generation.

In der Vergangenheit betrug die Länge einer Einheit, egal ob es sich um Sequenzierung der ersten oder zweiten Generation handelte, etwa einige hundert Basen. Dies bedeutete, dass wir bei wiederholtem Auftreten wiederholter Fragmente in einem Gen nicht weiterkommen würden, da wir ihre Reihenfolge und spezifische Zusammensetzung nicht unterscheiden könnten.

Die neue Sequenzierungstechnologie kann Zehntausende oder sogar Hunderttausende von Wörtern auf einmal von Anfang bis Ende lesen. Solche langen Regionen werden im Genom grundsätzlich nicht wiederholt, während diese kurzen repetitiven Regionen davon abgedeckt sind. Mithilfe dieser neuen Technologie ist es den Wissenschaftlern gelungen, die restlichen 8 % der Informationen des Genoms zu übersetzen und so das bislang vollständigste menschliche Genom zu erstellen.

Wir können sehen, dass die Fertigstellung des Humangenomprojekts durch die gemeinsamen Anstrengungen der Sequenzierung der ersten, zweiten und dritten Generation erreicht wurde. Allerdings können wir die Qualität der Sequenzierungstechnologie nicht allein anhand des Zeitpunkts ihres Aufkommens beurteilen. Wir müssen uns darüber im Klaren sein, dass ohne diese Sequenzierungstechnologien die vollständige Interpretation des menschlichen Genoms nicht möglich ist.

Natürlich muss darauf hingewiesen werden, dass unser menschliches Genom auch heute noch nicht zu 100 % vollständig sequenziert ist und noch einiges ergänzt werden muss, aber nach den derzeitigen Fortschritten könnte dieses Problem in den nächsten Jahren vollständig gelöst werden.

Die Zukunft ist hier? Zu früh, um das zu sagen

Vor diesem Hintergrund haben wir das bislang vollständigste menschliche Genom erstellt. Ist das also ein Erfolg? Tatsächlich ist dies nur der erste Schritt auf einem langen Marsch.

Als das Humangenomprojekt im Jahr 2001 abgeschlossen wurde, jubelte die Branche, als hätte die Zukunft begonnen. Allerdings entdeckten Wissenschaftler bald eine Reihe von Problemen.

Zunächst einmal wird das menschliche Genom, das wir in diesem Jahr sequenziert haben, als Referenzgenom bezeichnet. Natürlich kann man darunter auch die „Standardvariante“ verstehen, allerdings ist das bei jedem individuell anders. Das Genom jeder Person und das Referenzgenom sind nicht hundertprozentig identisch, es gibt jedoch einige Unterschiede, die wir als „Genvariation“ oder „Genmutation“ bezeichnen.

Diese Variationen sind auch die grundlegenden Faktoren bei der Entstehung dieser vielfältigen Welt . Es gibt keine zwei identischen Menschen auf der Welt. Streng genommen haben selbst eineiige Zwillinge nicht genau die gleichen Gene. Überspitzt ausgedrückt: Nicht alle Zellen Ihres Körpers verfügen zwangsläufig über genau dasselbe Genom.

Genmutation

(Bildquelle: Wiki)

Der Hauptgrund für dieses Phänomen ist die Genmutation. Es gibt viele Faktoren, die eine Genmutation verursachen können, darunter physikalische Faktoren wie Strahlung, chemische Faktoren wie verschiedene Karzinogene und biologische Faktoren wie virusbedingte Mutationen.

Auch ohne diese Faktoren führt unser genetischer Mechanismus zu Mutationen. Bei der sogenannten Genreplikation handelt es sich um den Prozess der Umwandlung von einem zu vielen, der nicht 100 % genau ist und zu zufälligen Fehlern führt. Obwohl der menschliche Körper über einen Reparaturmechanismus verfügt, ist diese Reparatur nicht 100 % genau. Letztlich kommt es auch ohne mutagene Faktoren zu einer Mutation der Gene. Dies kann dazu führen, dass die DNA derselben Person in verschiedenen Körperteilen zu verschiedenen Zeiten nicht exakt gleich ist.

Natürlich muss darauf hingewiesen werden , dass Genmutation ein neutraler Begriff ist und wir keine Angst davor haben sollten. Auch die Entstehung vieler Vorteile ist auf Mutationen zurückzuführen , und jeder Mensch trägt im Allgemeinen Millionen von Einzelnukleotid-Polymorphismen (die allgemein als Mutationen verstanden werden können) in sich.

Was können wir also tun, nachdem wir diese Codes entschlüsselt haben? Keine Sorge, wir verraten es beim nächsten Mal.

Herausgeber: Sun Chenyu