Science-Titelbild: 20 Jahre später ist das Humangenomprojekt endlich abgeschlossen

An diesem Freitag wurden in der neuesten Ausgabe des Magazins Science gleichzeitig sechs Artikel veröffentlicht und auf dem Cover die neuesten Errungenschaften des Humangenomprojekts vorgestellt. Dies ist auch ein neuer Meilenstein im Humangenomprojekt nach mehr als 20 Jahren: ein vollständigeres menschliches Genom.

Beim Humangenomprojekt, das vor über 20 Jahren abgeschlossen wurde, fehlten tatsächlich etwa 8 % der DNA-Sequenz. Bei diesen fehlenden Teilen handelt es sich hauptsächlich um die Zentromere in der Mitte der Chromosomen, wo die DNA-Sequenz hochgradig repetitiv ist, und die Telomere an den Enden (die zuvor größtenteils als Schrott betrachtet wurden). Seit mehr als zwei Jahrzehnten glauben Forscher, dass diese Regionen eine Schlüsselrolle bei der Evolution und bei Krankheiten spielen könnten.

In den jüngsten veröffentlichten Ergebnissen hat ein Team von etwa 100 Wissenschaftlern erstmals die vollständige Sequenzierung des gesamten menschlichen Genoms abgeschlossen und die vollständigen Ergebnisse in der Zeitschrift Science veröffentlicht.

Die Forscher bezeichnen die vollständige Entschlüsselung des menschlichen Genoms als einen großen wissenschaftlichen Erfolg, da sie den ersten umfassenden Einblick in die menschliche DNA ermöglicht. Diese grundlegenden Informationen werden unser Verständnis aller subtilen funktionellen Unterschiede im menschlichen Genom verbessern und die genetische Forschung zu menschlichen Krankheiten vorantreiben.

Ein Mondschuss in den Biowissenschaften

Das Humangenomprojekt (HGP) ist ein groß angelegtes, multinationales und interdisziplinäres wissenschaftliches Forschungsprojekt. Sein Zweck besteht darin, die Nukleotidsequenz von 3 Milliarden Basenpaaren zu bestimmen, die in menschlichen Chromosomen (haploid) enthalten sind, um das menschliche Genom zu kartieren und die darin enthaltenen Gene und ihre Sequenzen zu identifizieren, um so das ultimative Ziel der Entschlüsselung der menschlichen genetischen Informationen zu erreichen.

Das Humangenomprojekt wurde erstmals 1985 von amerikanischen Wissenschaftlern vorgeschlagen und 1990 offiziell gestartet. Wissenschaftler aus den Vereinigten Staaten, Großbritannien, Frankreich, Deutschland, Japan und meinem Land beteiligten sich gemeinsam mit einem Budget von 3 Milliarden Dollar am Humangenomprojekt. Am 14. April 2003 war die Sequenzierung des Humangenomprojekts abgeschlossen. Unter ihnen gilt die Veröffentlichung des Arbeitsentwurfs des menschlichen Genoms im Jahr 2001 als Meilenstein für den Erfolg des Humangenomprojekts.

Das Humangenomprojekt gilt neben dem Manhattan-Atombombenprojekt und dem Apollo-Projekt als eines der drei größten wissenschaftlichen Projekte. Es handelt sich um ein weiteres Großprojekt in der Geschichte der Humanwissenschaften und wird als „Mondlandungsprojekt“ der Biowissenschaften gefeiert.

Das menschliche Genom erstreckt sich über 23 Chromosomenpaare und besteht aus mehr als 6 Milliarden einzelnen DNA-Basen, etwa der gleichen Anzahl wie bei anderen Primaten wie beispielsweise Schimpansen. Um ein Genom zu lesen, zerlegen Wissenschaftler zunächst die gesamte DNA in Hunderte bis Tausende Buchstaben lange Fragmente. Sequenzierungsmaschinen lesen dann die einzelnen Buchstaben in jedem Fragment und versuchen dann, diese Buchstaben in der richtigen Reihenfolge zusammenzusetzen, wie bei einem komplexen Puzzle.

(Quelle: Pixabay)

Eine Herausforderung besteht jedoch darin, dass bestimmte Regionen des Genoms immer wieder dieselben Buchstaben enthalten. Zu den wiederholten Regionen gehören das Zentromer, der Teil, der die beiden Chromosomen zusammenhält und eine Schlüsselrolle bei der Zellteilung spielt, und die ribosomale DNA, die Anweisungen für die Proteinfabriken der Zelle liefert. Andere Duplikate enthalten neue Gene, die Arten dabei helfen können, sich an ihre Umgebung anzupassen.

Gerade aufgrund dieser DNA-Wiederholungen können bei der Sequenzierung des menschlichen Genoms einige DNA-Fragmente nicht in der richtigen Reihenfolge zusammengesetzt werden. Ein weiteres Hindernis besteht darin, dass die meisten Zellen zwei Genome enthalten – eines vom Vater und eines von der Mutter. Wenn Forscher versuchen, alle Teile zusammenzusetzen, können Sequenzen von jedem Elternteil vermischt werden, wodurch die tatsächliche Variation in jedem einzelnen Genom verschleiert wird.

Obwohl das Humangenomprojekt im Jahr 2003 große Erfolge erzielte, war es in Wirklichkeit noch nicht ganz der endgültige Sieg. Mehr als 8 % des Genoms wurden noch nicht gelesen. Diese fehlenden Teile enthalten hochgradig repetitive Sequenzen und werden größtenteils als „Müll“ betrachtet.

Doch das sei nicht der Fall gewesen, sagt Eichler, der auch als Forscher am Howard Hughes Medical Institute (HHMI) der University of Washington tätig ist. „Es stellte sich heraus, dass viele der Regionen, die mich interessierten, in den Lücken lagen.“

Das erste vollständige menschliche Genom

Mit der rasanten Entwicklung der Gensequenzierungstechnologie haben Wissenschaftler erkannt, dass die neuesten Sequenzierer in der Lage sind, Millionen von Basen von DNA-Fragmenten gleichzeitig genau zu lesen, was die Tür zur endgültigen Lösung des Genomproblems öffnet.

Daher gründete ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Forschern des National Human Genome Research Institute, der University of California, Santa Cruz, der University of Washington und anderer Institutionen das „Telomere to Telomere Consortium (T2T)“, um eine vollständige und lückenlose Sequenzierung des menschlichen Genoms durchzuführen.

Forscher sagten, dass das menschliche Genom etwa drei Milliarden DNA-Basenpaare (Desoxyribonukleinsäure) enthalte und dass die vollständige und lückenlose Sequenzierung dieser Basenpaare von entscheidender Bedeutung sei, um das gesamte Spektrum der Variationen im menschlichen Genom zu verstehen und den Einfluss der Gene auf bestimmte Krankheiten zu begreifen.

(Quelle: Pixabay)

In sechs im Fachmagazin „Science“ erschienenen Artikeln untersuchten die Forscher zudem eingehend die biologische Bedeutung der Lebenstage-Gene. Beispielsweise stellte das Team eine unerwartet hohe genetische Variation an Zentromeren und anderen Stellen fest, an denen sie erwartet wurde.

Miga, der die T2T-Arbeit mitleitete, sagte, die Daten bildeten die Grundlage für eine neue Ära der Zentromerforschung. Wissenschaftler können nun untersuchen, wie diese neu entdeckten Varianten Krankheiten verursachen und wie sich die Zentromer-DNA im Laufe der Zeit verändert.

Die Erkenntnisse offenbaren auch komplexere Muster genetischer Variation, die zur Erklärung der schnellen Evolution des Menschen beitragen und auch zur Entstehung der menschlichen Spezies beigetragen haben. Die Forscher erklären, dass die vollständige Genomsequenz gezeigt habe, dass einige mit größeren Gehirnen verbundene Gene sehr variabel seien. Eine Person kann zehn Kopien eines bestimmten Gens besitzen, während jemand anderes nur eine oder zwei hat.

Die Forscher sagen, dass die erfolgreiche Vervollständigung eines einzelnen Genoms nicht das letzte Wort ist. Die Mitglieder des Konsortiums arbeiten bereits an der Sequenzierung eines Genoms, bei dem jeder Elternteil ein anderes Chromosom vererbt bekommt. Sie haben außerdem mit einem pangenomischen Projekt begonnen, um die gesamte DNA-Sequenz von Hunderten von Menschen auf der ganzen Welt zu lesen. „Das Ziel besteht darin, ein möglichst vollständiges menschliches Genom zu erstellen, das die größtmögliche menschliche Vielfalt repräsentiert“, erklärt Jarvis, Co-Leiter des Projekts.

Quellen:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj5089

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj6965

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj6987

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk3112

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl4178

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl3533

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