Berlin. Rund 20 Jahre nach der Entzifferung des menschlichen Erbguts präsentieren Forschende eine neue und diesmal wirklich lückenlose Sequenz des Humangenoms. Die Reihenfolge der mehr als drei Milliarden einzelnen Bausteine des Erbgutmoleküls DNA liege nun vollständig vor, berichten die über 100 Forscherinnen und Forscher internationaler Einrichtungen in sechs Studien im Fachmagazin „Science“. Das neue Referenzgenom werde nicht nur neue, grundlegende Erkenntnisse zur menschlichen Biologie ermöglichen, sondern auch die Erforschung von Krankheiten und ihrer Behandlung verbessern. Auch Fragen zur Evolution des Menschen und seiner Verbreitung über die Erde könnten mithilfe der erweiterten genetischen Informationen untersucht werden.

Im Jahr 2001 hatten Forschende der staatlich finanzierten Human Genome Organisation (Hugo) sowie der private Genforscher und damalige Präsident der Firma Celera Genomics, Craig Venter, erste Blaupausen des menschlichen Genoms vorgelegt. Sie wiesen noch erheb­liche Lücken auf. 2003 verkündeten die Hugo-Wissenschaftlerinnen und -Wissen­schaftler dann die Fertigstellung der Sequenzierung.

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Doch auch diese Version war nicht perfekt. Etwa 8 Prozent der genetischen Information fehlten. „Wir haben durch die Kenntnis von etwa 90 Prozent des menschlichen Genoms ein enormes Verständnis der menschlichen Biologie und Krankheiten erlangt, aber es gab viele wichtige Aspekte, die der Wissenschaft verborgen blieben, weil wir nicht über die Technologie verfügten, diese (noch übrig gebliebenen) Teile des Genoms zu lesen“, erläutert David Haussler von der University of California Santa-Cruz. „Jetzt können wir auf der Spitze des Berges stehen und die ganze Landschaft darunter sehen und uns ein vollständiges Bild von unserem menschlichen genetischen Erbe machen.“

Abfolge der Basen bestimmen

Die genetische Information aller Lebewesen steckt verschlüsselt in den vier Grundbausteinen des Erbgutmoleküls DNA, den sogenannten Basen. Die Reihenfolge dieser Einzelbausteine – häufig auch Buchstaben genannt – entscheidet unter anderem darüber, welche Eiweiße im Körper gebildet werden, die wiederum quasi alle Lebensprozesse steuern. Die komplette Information ist beim Menschen auf 23 Chromosomen verteilt, die in fast allen Zellen doppelt vorliegen.

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Um die Abfolge der Buchstaben im DNA-Molekül zu bestimmen – den genetischen Code also lesen zu können – schneiden die Forschenden die DNA zunächst in kleine Schnipsel. Sequen­zier­maschinen bestimmen dann die Reihenfolge der einzelnen Bausteine. Überlappungen zwischen den Schnipseln ermöglichen es hinterher, die Bruchstücke wieder zu einem Ganzen zusammenzupuzzeln. Schwierigkeiten machen dabei allerdings Regionen des Erbguts, in denen sich bestimmte Buchstabenfolgen häufig wiederholen, sogenannte repetitive Sequenzen. Sie finden sich vor allem an den Enden der Chromosomen und in der Centromer-Region – in dem Bereich, der jedes Chromosom in einen kurzen und einen langen Arm unterteilt und der bei der Zellteilung eine wichtige Rolle spielt.

„Diese Teile des menschlichen Genoms, die wir seit mehr als 20 Jahren nicht untersuchen konnten, sind wichtig für unser Verständnis der Funktionsweise des Genoms, genetischer Krankheiten sowie der menschlichen Vielfalt und Evolution“, erläutert Karen Miga von der UC Santa Cruz.

200 Millionen bisher unbekannte Basen

Verbesserte Sequenziermaschinen erlauben es seit einigen Jahren, auch längere Abschnitte des Erbguts auf einmal zu bestimmen. Mit einer Methode können zeitgleich bis zu einer Million Bausteine mit akzeptabler Fehlerquote gelesen werden, eine andere schafft 20.000 Buchstaben fast fehlerfrei – ein „game changer“, wie die Forschenden schreiben. Um die Sequenzierung zu vereinfachen, nutzten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zudem besondere Tumorzellen des Menschen, die nur väterliche DNA enthalten. Von den beiden Geschlechtschromosomen X und Y wurde nur das X-Chromosom analysiert.

Im Ergebnis haben die Forschenden nun für jedes Chromosom die komplette Abfolge der Buchstaben von einem Ende zum anderen vorliegen. Die neue Sequenz enthalte 200 Millionen bisher unbekannte Basen; in ihnen steckt die Information von 99 Genen, die vermutlich jeweils ein Protein bilden. Zahlreiche Fehler der vorhergehenden Sequenzen seien korrigiert und von fünf Chromosomen die kurzen Enden erstmals vollständig entziffert worden.

Diversität menschlicher Bevölkerung erfassen

In der menschlichen Bevölkerung sei die Komplexität des Genoms höher als in dem vor­gestellten Referenzgenom, trotz dessen hoher Qualität, schreibt US-Forscherin Deanna Church in einem Kommentar in „Science“. Nichtsdestotrotz erleichtere ein korrekt zusammengestelltes menschliches Genom samt der repetitiven Bereiche die Analyse dieser biomedizinisch wichtigen Regionen bei anderen Menschen und nicht menschlichen Primaten.

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Auch die nun vollständig vorliegende Sequenz des Humangenoms wird nicht die letzte sein, die Forschende der Öffentlichkeit präsentieren. Es laufen bereits Arbeiten an einem Genom, das aus mütterlicher und väterlicher Erbinformation zusammengesetzt ist. Das Humane-Pangenom-Konsortium wiederum möchte die DNA von 350 Menschen aus unterschiedlichen Weltregionen sequenzieren, um die Diversität der menschlichen Bevölkerung besser zu erfassen.

RND/dpa