Humangenomprojekt

1) Das Genom

- gesamte genetische Information eines Organismus
- es steuert die Zellteilung, das Wachstum und die Lebensvorgänge des Organismus
- Trägersubstanz ist in allen Lebewesen die DNA
- Ausnahme: Eine besondere Art der Viren – die RNA-Viren
- dabei sind 2% der Gene mit genetischer Information ausgestattet
- weitere Gene haben regulatorische Elemente
- ebenso gibt es funktionslose/stillgelegte Pseudo-Gene, die im Laufe der Evolution entstanden sind
- es gibt auch ausgedehnte Regionen von sich wiederholenden Elementen

Das Menschliche Genom

- es besitzt etwa 30 – 40.000 Gene, die auf 23 Chromosompaare verteilt in jeder Zelle des Menschen enthalten sind
- die Größe des Genoms beträgt 3,2 Milliarden Basenpaare

Zum Vergleich

- Taufliege: 13061 Gene; 0,18 Milliarden Basenpaare
- Ackerschmalwand: 25498 Gene; 0,1 Milliarden Basenpaare
- Bäckerhefe: 6034 Gene; 0,012 Milliarden Basenpaare

Genomorganisation

- Prokaryonten haben ein großes und mehrere kleine (= Plasmiden) in sich geschlossene DNA-Moleküle
- Diese enthalten nur wenige Gene wie z.B. die Resistenz gegen Antibiotika
- Bei Eukaryonten (Pflanzen, Pilze, Tiere) ist das Genom in mehrere strangförmige Chromosomen unterteilt, die nur im Zellkern vorkommen (=Karyom)
- Organellgenome (Mitochondrien, Chloroplasten) können in Eukaryonten vorkommen
- Sie enthalten ihre eigene DNA, welche der Gesamtheit der genetischen Informationen des entsprechenden Organell-Typs entspricht
- Müssen nur spezielle Funktionen ( z.B. Zellatmung ) übernehmen
- Virusgenome haben nur einen geringen Umfang, da sie nur wenige Funktionen kodieren müssen

Proteom

- Gesamtheit aller Proteine in einem Lebewesen, einem Gewebe, einer Zelle oder einem Zellkompartiment
- Es steht immer im Gleichgewicht zwischen ständiger Neusynthese von Proteinen bei gleichzeitigem Abbau nicht mehr benötigter Proteine
- Das Proteom ist im Gegensatz zum Genom ständigen Änderungen seiner Zusammensetzung unterworfen
- Diese werden durch Umwelteinflüsse, Krankheiten, Wirkstoffe und Medikamente hervorgerufen (Proteom = dynamischer Spiegel der Umwelt)
- Bei Bakterienzellen gibt es ca. 1000 – 10.000 verschiedene Arten von Proteinmolekülen, beim Menschen ca. 500.000 – 1.000.000

2) Humangenomprojekt

- Das 1990 in den USA gegründete Projekt wurde mit dem Ziel begonnen, die im Genom niedergelegten genetischen Informationen in allen Einzelheiten zu verstehen (Den ‚Bauplan’ des Menschen)
- Schritte auf dem Weg zum Ziel:

1. Bestimmung der Abfolge der 3,2 Mrd. Basenpaare (Genom)
2. Identifikation der 30 – 40.000 Gene
3. Aufklärung der Funktion der Gene
4. Erforschung der genetischen Komponenten von Krankheiten
5. Entwicklung neuartiger Therapien

- Die Entschlüsselung des Genoms gibt die Möglichkeit Krankheiten zu erkennen, verstehen und zu bekämpfen
- Als Bsp.: Schimpansen (zu 98,8% gleiches Genom wie der Mensch) sind immun gegen AIDS und Malaria > Forscher suchen nun die Resistentmachenden Gene um die Informationen für den Mensch zu nutzen
- Man könnte mit den gewonnen Informationen auch maßgeschneiderte Medikamente für einzelne Personen anfertigen
- Ebenso kann man die Evolution des Menschen besser nachvollziehen
- Deutschland schloss sich 1955 dem HGP an (DHGP)
- Das DHGP beendete seine Arbeit 2004 nach der Fertigstellung der Entschlüsselung von 2,88 der 3,2 Mrd. Basenpaare im Rahmen der angelegten Maßstäbe und Möglichkeiten
- Die Genauigkeit liegt nun bei einem Fehler pro 10.000 Basen
- Es ist nun bekannt welches Gen auf welchem Chromosom liegt
- Nun sollen die Funktionen der Gene analysiert werden und das Zusammenspiel der an Krankheiten beteiligten Gene herausgefunden werden
- Dadurch könnte man spezialisierte Medikamente entwickeln
- Es ist dabei zu beachten, dass das Genom zweier Menschen um 0,1% variiert

3) Sequenzierung / Kettenabbruchverfahren (nach Sanger)

- Die DNA-Sequenzanalyse dient der Bestimmung von charakteristischen Abschnitten, insbesondere Genen, in einem DNA-Strang
- Hierbei wird die Abfolge und Position der Basenpaare festgelegt
- Man kann diese Methode (geringfügig verändert) auch zur Entschlüsselung von Aminosäuren anwenden
- Sanger entwickelte diese Methode 1975 und erhielt dafür 1980 den Nobelpreis für Chemie Vorgehensweise
- Wie bei der PCR wird die zu sequenzierende DNA zuerst denaturiert
- Durch DNA-Polymerase wird nun einer der beiden Einzelstränge verlängert
- In sonst vier gleichen Ansätzen wird nun je eine Art eines radioaktiv markierten „Kettenabbruch-Nucleotid“ gegeben (A-, G-, T-, C-Nukleotid)
- Werden diese von der Polymerase in den DNA-Strang eingebaut kommt es zum Kettenabbruch
- Somit entstehen unterschiedliche große DNA-Fragmente
- Diese werden mit Hilfe der Gelelektrophorese getrennt (je kleiner das negative DNA-Fragment, desto schneller wandert es im elektrischen Feld zum +Pol)
- Mit Hilfe eines Röntgenfilms wird das Chromatogramm entwickelt und die markierte DNA als schwarze Banden sichtbar gemacht
- Jede Bande entspricht einer bestimmten Basenzahl (Hier Guaninposition: 3,7,11)
- So kann die gesamte DNA-Sequenz bestimmt werden (Hier: TAGTCCGATAGTC)

Weiterentwickelte Methode Heute:

- Heute werden nicht vier, sondern nur noch ein Ansatz benötigt
- Die „Kettenabbruch-Nukleotide“ werden mit unterschiedlichen Fluoreszenz-Farbstoffen markiert
- Die entstehenden Fragmente werden ebenfalls mit Hilfe der Gelelektrophorese aufgegliedert
- Die Fluoreszierende Farbe wird nun von einem Detektor erkannt und die Abfolge der Farbsignale ausgewertet
- Ein Computer gibt anschließend direkt die Sequenz des sequenzierten DNA-Stranges wieder

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

4) Array-Technologie

- Produktion: Ein Biochip besteht heute meist aus Glas, Plastik oder Silikon
- Ein so genannter Spotting-Roboter bringt die Analysesubstanz, z.B. Gene, mit Nadel- oder Tintenstrahldrucktechnik in tausenden winzigen, genau geordneten Punkten auf den Chip auf

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

- Anwendung: Ein Tropfen der zu analysierenden Substanz, z.B. Blut eines Patienten, wird auf den Chip aufgetragen
- Das Gen, an das die Probenflüssigkeit bindet, ändert seine Farbe, Struktur oder es fluoresziert

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

- Auswertung: Ein Detektor registriert diese Veränderung und leitet die Information als Signal an eine Computer weiter
- Der Computer wertet das Signal aus und übersetzt es (z.B. Das Gen XY hat einen Defekt)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

- Als Microarray (engl: Aufgebot, Bereich, Matrix) bezeichnet man die Anordnung von Oligonukleotiden auf einem Biochip
- Oligonukleotide – oder schlicht Oligos – sind einzelsträngige Nukleotidabschnitte mit eine Länge von ca. 8 Basen
- Die Sequenz und Position der Oligos auf dem Chip wird zuvor definiert
- Durch die Komplementaritätsmuster lassen sich unbekannte Nukleinsäureproben identifizieren
- Die Chips werden als DNA-, RNA-, Protein- und Antikörperchips für verschiedene Anwendungen auf den Markt kommen

5) Rechtliches:

Kein Mensch darf aufgrund genetischer Merkmale diskriminiert werden.

Jeder Mensch hat ein recht auf Wissen, ebenso wie auf Nichtwissen um seine genetischen Eigenschaften.

Die Fortschritte der Genomforschung müssen allen Menschen zu Gute kommen.

Die Achtung der Menschenrechte muss Vorrang vor dem Fortschritt der Forschung haben.

6) Quellen:

Dr. Markus Albertini et al., 31.05.2004 Deutsches Humangenomprojekt <http://www.dhgp.de/deutsch/> (15.02.06)

Apper K. et al., 15.02.2006 Human Genom Project <http://de.wikipedia.org/wiki/Human_Genome_Project> (15.02.06)

Mkill et al., 16.02.06, Genom <http://de.wikipedia.org/wiki/Genom> (16.02.06)

Unbekannter Autor, unbekanntes Datum, 6000 Gene auf kleinstem Raum analysierbar <http://www.roche.com/pages/facetten/8/gen.htm> (04.02.06)

Miram/Scharf, "Biologie heute SII, Schroedel, 1997