Wie bestimmen Gene unser Leben? Kann das Humangenomprojekt die Geheimnisse von Geburt, Altern, Krankheit und Tod lösen?

Was bestimmt unser Leben? Man kann sagen, dass Gene in zahlreichen Lebensaktivitäten eine dominierende Rolle spielen und die menschliche Erforschung dieser Gene hat nie aufgehört, nachdem sie einmal begonnen hat.

Aus einer winzigen befruchteten Eizelle entwickelt sich ein menschlicher Körper mit gesunden Gliedmaßen und einem einzigartigen Aussehen, der jedoch auch ähnliche Reife- und Alterungsprozesse durchläuft ... Es ist, als ob unser Körper eine detaillierte Bedienungsanleitung hätte, die den geordneten Verlauf des Lebens steuert.

Dieses „Buch des Lebens“ ist im genetischen Material namens DNA geschrieben. DNA, der vollständige Name der „Desoxyribonukleinsäure“, besteht aus einer Anordnung und Kombination von Nukleotidmolekülen, die unterschiedliche Basen enthalten. Der wichtigste Unterschied bei Nukleotidmolekülen ist die Base. Es gibt insgesamt 4 Typen, abgekürzt als A, T, C und G. Dabei kommen A und T, C und G immer paarweise und komplementär auf beiden Seiten der DNA-Doppelhelix vor. Die Reihenfolge, in der die Basen angeordnet sind, wird als „Sequenz“ bezeichnet. Die Sequenz der DNA ist die Grundlage für die Kodierung von Proteinen. Ein Sequenzfragment, das ein vollständiges Protein kodieren kann, wird als „Gen“ bezeichnet. Vergleicht man die DNA mit einer riesigen Bibliothek, entsprechen die „Gene“ den darin enthaltenen Büchern.

Abbildung: Das Bild stammt von Tuchong.com

Ein vollständiger Satz von DNA-Sequenzen wird als „Genom“ bezeichnet. Das menschliche Genom besteht aus etwa 3,055 Milliarden Basenpaaren und enthält etwa 25.000 Gene, die den Zusammenbau von Aminosäuren in Zellen zu Proteinen mit unterschiedlichen Funktionen steuern können. Beispielsweise kann Hämoglobin in roten Blutkörperchen Sauerstoffmoleküle im Blut einfangen; Keratin kann sich fest miteinander verbinden und so harte Nägel bilden.

Jede Zelle im menschlichen Körper verfügt über einen nahezu identischen DNA-Satz, einige Gene funktionieren jedoch nur in bestimmten Organen oder zu bestimmten Zeiten. Insulin ist ein blutzuckersenkendes Hormon, das von den Betazellen der Bauchspeicheldrüse ausgeschüttet wird. Es ist auch ein Protein. Wenn der Blutzuckerspiegel übermäßig ansteigt, weisen Signalmoleküle im Blut die Betazellen der Bauchspeicheldrüse an, einen Teil der DNA-Doppelhelixstruktur, nämlich das Insulin-Gen, zu öffnen und Insulinprotein zu synthetisieren. Sobald genügend Insulin produziert wurde, benachrichtigen andere Signalmoleküle die Betazellen der Bauchspeicheldrüse, dass sie die Arbeit des Insulingens stoppen sollen. Es ist, als ob Sie ein Buch über Insulin aus der DNA-Bibliothek genommen, gelesen und dann wieder zurückgelegt hätten.

Die Ähnlichkeit des menschlichen Genoms beträgt bis zu 99,9 %. Die verbleibenden 0,1 % Unterschiede und Umweltfaktoren zusammen führen dazu, dass jeder Mensch sein einzigartiges Aussehen, seinen Körperbau, seine Lebenserwartung usw. hat. Die Sequenz Ihrer DNA verändert sich im Laufe Ihres Lebens. Fehler im Zellreplikationsprozess, Stimulation durch ultraviolette Strahlen, Medikamente usw. können zum Verlust oder zur Bewegung von Basen führen. Wenn es dadurch zu genetischen Veränderungen und der Synthese abnormaler Proteine ​​kommt, kann dies zu Krankheiten führen. Wenn eine Genomsequenz als Referenz vorliegt, können wir die Ursachen individueller Unterschiede und Krankheiten an der Quelle untersuchen.

So wurde 1990 das „Humangenomprojekt“ offiziell gestartet. Sein Hauptzweck besteht darin, die vollständige Sequenz des menschlichen Genoms zu kartieren und anschließend die Unterschiede und Wechselbeziehungen zahlreicher Gene zu untersuchen, die mit Geburt, Alterung, Krankheit und Tod in Zusammenhang stehen. Die Veröffentlichung des ersten menschlichen Genoms dauerte fast 13 Jahre, kostete mehr als drei Milliarden Dollar und erforderte die Anstrengungen vieler Länder auf der ganzen Welt, darunter auch China. Die kostenlose öffentliche Veröffentlichung von Sequenzdaten im Internet hat die Forschung und Anwendung im globalen genetischen Bereich erheblich gefördert. Danach begann sich die Technologie zur Gensequenzierung rasch zu entwickeln und die Sequenzierungseffizienz nahm weiter zu. Heute sind die Kosten für die Entnahme einer einzigen menschlichen Genomsequenz auf etwa 1.000 US-Dollar gesunken und die Ergebnisse können innerhalb weniger Tage vorliegen.

Tatsächlich war die im Jahr 2003 erhaltene Sequenzkarte nicht vollständig, sie war nur zu 92 % vollständig. Aufgrund technischer Einschränkungen konnten einige Proben nicht erfolgreich sequenziert werden. Sie sollten wissen, dass ein Satz DNA-Moleküle im menschlichen Körper, wenn er vollständig entfaltet ist, bis zu zwei Meter lang sein kann und natürlich nicht in eine Zelle mit einem Durchmesser von nur wenigen Mikrometern hineingestopft werden kann. Um Platz zu sparen, werden DNA-Moleküle normalerweise zu dichten Chromosomen aufgerollt und komprimiert und im Zellkern versteckt. Das schmale „Zentromer“ in der Mitte des Chromosoms ist die Stelle, an der sich das Chromosom nach der Replikation während der Zellteilung zu teilen beginnt. Die „Telomere“ an den Enden der Chromosomen werden mit zunehmendem Alter kürzer. Allerdings enthalten die Sequenzen dieser beiden wichtigen Teile eine große Anzahl sich wiederholender Fragmente. Die Sequenzer dieser Zeit waren sehr ineffizient und konnten nur Sequenzen von wenigen hundert Basen lesen, die Stück für Stück zusammengesetzt werden mussten. Es ist wie ein Puzzlespiel. Wenn die Teile klein sind und die Farben und Formen der Muster sehr ähnlich sind, wird es schwierig sein, ihre Reihenfolge zu bestimmen. Nach fast 20 Jahren der Erforschung konnten die lange fehlenden 8 % im Jahr 2022 mithilfe von Hochdurchsatzsequenzern und Sequenzierungstechnologien, die kontinuierlich Zehntausende von Basen lesen können, endlich freigeschaltet werden. Die neue Version des menschlichen Genoms ist um etwa 200 Millionen Basen erweitert und umfasst 1.956 vorhergesagte Gene. Sie bietet eine wichtige Grundlage für die Erforschung von Krankheiten und die Analyse der menschlichen Evolution.

Niemand weiß, was uns die genetische Erforschung in der Zukunft bringen wird und wie sie die Grenzen des menschlichen Lebens und der menschlichen Wahrnehmung erweitern wird.

Verweise
1. Nurk S., Koren S., Rhie A. et al. Die vollständige Sequenz eines menschlichen Genoms[J]. Science, 2022, 376(6588): 44-53.

Dieser Artikel ist eine Arbeit, die vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützt wird. Autor: Xu Sijia (Doktor der Medizin, Universität Kyoto)
Gutachter: Tao Ning (Associate Researcher, Institut für Biophysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)
Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung. Produziert von: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.