Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Zweisamkeit im menschlichen Erbgut

26.11.2014

Die Genome der Menschen sind außerordentlich individuell – eine Herausforderung für die personalisierte Medizin

Der Mensch ist nicht gern allein, und auch seine Gene sind auf Zweisamkeit angelegt. Zusammen ist man stärker und auch die beiden Ausführungen eines Gens – je eines von Vater und Mutter – brauchen einander.


Jeder Mensch besitzt cis- und trans-Mutationen in einem 60:40-Verhältnis.

Art 4 Science

Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für molekulare Genetik in Berlin haben das Erbgut mehrerer hundert Menschen analysiert und die Erbinformation auf beiden Chromosomensätzen getrennt voneinander entschlüsselt. Allein in dieser verhältnismäßig kleinen Gruppe gibt es Millionen unterschiedlicher Genformen.

Die Ergebnisse zeigen darüber hinaus, dass genetische Mutationen nicht zufällig auf den beiden elterlichen Chromosomensätzen vorkommen, sondern dass sie in jedem Menschen nach demselben Muster verteilt sind.

Im Jahr 2001 gaben Wissenschaftler die Entschlüsselung des ersten Genoms eines Menschen bekannt. Inzwischen sind tausende weitere entziffert worden, der Preis für eine Erbgutanalyse wird bald die 1000-Dollar-Marke unterschreiten. Bei dieser rasanten Entwicklung vergisst man leicht, dass die eingesetzte Technik nur ein Mischprodukt der Erbinformation ausliest.

Die heute gängigen Analyseverfahren berücksichtigen nämlich nicht, dass jeder Mensch zwei Varianten seines Erbguts besitzt. „Damit lassen sie eine wesentliche Eigenschaft des menschlichen Genoms unter den Tisch fallen. Es ist aber beispielsweise entscheidend zu wissen, wie Mutationen auf den Chromosomensätzen verteilt sind“, sagt Margret Hoehe vom Max-Planck-Institut für molekulare Genetik, die die Studie durchgeführt hat.

Hoehe und ihr Team haben molekulargenetische und bioinformatische Methoden entwickelt, mit denen sie die beiden Chromosomensätze eines Menschen getrennt sequenzieren können. Die Forscher haben die mütterlichen und väterlichen Anteile des Erbguts von 14 Personen entziffert und ihre Analysen mit dem Erbgut von 372 Europäern aus dem 1000-Genome-Projekt ergänzt. „14 Personen klingt nicht viel, aber angesichts der technischen Herausforderung eine weltweit bislang unerreichte Anzahl“, so Hoehe.

Die Ergebnisse zeigen, dass die meisten Gene in vielen unterschiedlichen Formen in einer Bevölkerung auftreten können: Im Durchschnitt gibt es von jedem Gen rund 250 verschiedene Formen. Alleine in den knapp 400 untersuchten Genomen ergibt das etwa vier Millionen unterschiedliche Genformen.

Diese Zahl steigt weiter, je mehr Menschen untersucht werden. Dabei haben über 85 Prozent aller Gene keine Hauptform, die in mehr als der Hälfte aller Individuen vorkommt. Die ungeheure Vielfalt bringt es mit sich, dass über die Hälfte aller Gene eines Menschen, rund 9000 von 17500, so nur in dieser einen Person vorkommen – sie sind also im wahrsten Sinne individuell.

Das Gen, so wie wir es uns bisher vorgestellt haben, gibt es nur in Ausnahmefällen. „Wir müssen unsere Sicht auf die Gene, wie sie seit Gregor Mendel jedes Schulkind lernen muss, grundlegend überdenken. Auch reicht die herkömmliche Betrachtung von Einzelmutationen nicht mehr aus. Wir müssen stattdessen die beiden Genformen und deren jeweilige Kombinationen von Varianten berücksichtigen“, erklärt Hoehe. Bei Erbgutanalysen sollten Wissenschaftler also jede elterliche Genform individuell untersuchen, aber auch beide Formen in ihrer Wirkung als Paar.

Den Forschern zufolge sind Mutationen von Genen nicht zufällig zwischen den elterlichen Chromosomen verteilt. Sie betreffen zu 60 Prozent dieselbe Genform, zu 40 Prozent die andere – Wissenschaftler sprechen in diesem Zusammenhang von cis- und trans-Mutationen. Offenbar muss ein Organismus mehr cis-Mutationen aufweisen, bei denen die zweite Genform intakt bleibt. „Es ist erstaunlich, wie präzise das 60:40-Verhältnis eingehalten wird. Es tritt im Genom eines jeden Menschen auf – fast wie in einer magischen Formel“, sagt Hoehe. Der Verteilungsschlüssel von 60:40 scheint unverzichtbar für das Überleben zu sein. „Mit dieser Formel können wir möglicherweise verstehen, wie die Variabilität der Gene entsteht und wie sie deren Funktion beeinflusst.“

Ein Teil der vielen Varianten, die das Erbgut verändern, wirken sich auch auf Proteinebene aus. Die Forscher haben nun einen Satz von rund 4000 Genen identifiziert, der durch Mutationen so verändert wird, dass seine Proteine in menschlichen Organismen besonders häufig in zwei unterschiedlichen Formen vorliegen. Diese Gene kontrollieren vorrangig die Signalübertragung zwischen Zellen, das Immunsystem und die Regulation der Genaktivität. Diese Art der zweifachen Gen- und Proteinausstattung hat den Vorteil, dass die Aktivität der Gene flexibler reguliert und verändert werden kann. Durch Einsatz der jeweils vorteilhafteren Variante kann sich der Organismus besser an sich verändernde körpereigene Prozesse und Umweltbedingungen anpassen. Klappt die Zweisamkeit der Gene nicht und kommt die falsche Proteinform zum Einsatz, kann dies Krankheitsmechanismen in Gang setzen. Dies ist wahrscheinlich auch der Grund, warum unter diesen 4000 Genen viele Krankheitsgene sind.

Diese Erkenntnisse werden die Interpretation von Erbgut-Analysen und die Vorhersage von Krankheiten verändern. Auch die individualisierte Medizin darf nicht blind für die „Zweisamkeit“ menschlicher Genome sein. „Unsere Untersuchungen auf Proteinebene zeigen, dass 96 Prozent aller Gene ein Spektrum von mindestens fünf bis 20 unterschiedlichen Proteinformen haben. Dies ergibt eine ungeheure individuelle Vielfalt an möglichen Wechselwirkungen zwischen den Genen und zeigt, wie groß die Herausforderung ist, individuell maßgeschneiderte Therapien zu entwickeln“, sagt Hoehe.

Bisher haben Forscher das Krankheitsrisiko nur anhand der An- oder Abwesenheit von Mutationen geschätzt. Es gibt aber erste Hinweise darauf, dass beispielsweise bei Krebs die falsche Verteilung einer Mutation die Ausprägung und den Verlauf der Krankheit bestimmt. Die Lage von Mutationen muss deshalb künftig in die Diagnostik, Vorhersage und Vorsorge von Krankheiten einfließen.

Originalpublikation:
Margret R. Hoehe, George M. Church, Hans Lehrach, Thomas Kroslak, Stefanie Palczewski, Katja Nowick, Sabrina Schulz, Eun-Kyung Suk, Thomas Huebsch
Multiple haplotype-resolved genomes reveal population patterns of gene and protein diplotypes
Nature Communications, 26. November 2014

Ansprechpartner:
Dr. Patricia Marquardt
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für molekulare Genetik, Berlin
Telefon:+49 30 8413-1716
E-Mail:patricia.marquardt@molgen.mpg.de

Dr Harald Rösch | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Spot auf die Maschinerie des Lebens
23.08.2017 | Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts, Erlangen

nachricht Immunsystem kann durch gezielte Manipulation des Zellstoffwechsels reguliert werden
23.08.2017 | Medical University of Vienna

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Platz 2 für Helikopter-Designstudie aus Stade - Carbontechnologie-Studenten der PFH erfolgreich

Bereits lange vor dem Studienabschluss haben vier Studenten des PFH Hansecampus Stade ihr ingenieurwissenschaftliches Können eindrucksvoll unter Beweis gestellt: Malte Blask, Hagen Hagens, Nick Neubert und Rouven Weg haben bei einem internationalen Wettbewerb der American Helicopter Society (AHS International) den zweiten Platz belegt. Ihre Aufgabe war es, eine Designstudie für ein helikopterähnliches Fluggerät zu entwickeln, das 24 Stunden an einem Punkt in der Luft fliegen kann.

Die vier Kommilitonen sind im Studiengang Verbundwerkstoffe/Composites am Hansecampus Stade der PFH Private Hochschule Göttingen eingeschrieben. Seit elf...

Im Focus: Wissenschaftler entdecken seltene Ordnung von Elektronen in einem supraleitenden Kristall

In einem Artikel der aktuellen Ausgabe des Forschungsmagazins „Nature“ berichten Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden von der Entdeckung eines seltenen Materiezustandes, bei dem sich die Elektronen in einem Kristall gemeinsam in einer Richtung bewegen. Diese Entdeckung berührt eine der offenen Fragestellungen im Bereich der Festkörperphysik: Was passiert, wenn sich Elektronen gemeinsam im Kollektiv verhalten, in sogenannten „stark korrelierten Elektronensystemen“, und wie „einigen sich“ die Elektronen auf ein gemeinsames Verhalten?

In den meisten Metallen beeinflussen sich Elektronen gegenseitig nur wenig und leiten Wärme und elektrischen Strom weitgehend unabhängig voneinander durch das...

Im Focus: Wie ein Bakterium von Methanol leben kann

Bei einem Bakterium, das Methanol als Nährstoff nutzen kann, identifizierten ETH-Forscher alle dafür benötigten Gene. Die Erkenntnis hilft, diesen Rohstoff für die Biotechnologie besser nutzbar zu machen.

Viele Chemiker erforschen derzeit, wie man aus den kleinen Kohlenstoffverbindungen Methan und Methanol grössere Moleküle herstellt. Denn Methan kommt auf der...

Im Focus: Topologische Quantenzustände einfach aufspüren

Durch gezieltes Aufheizen von Quantenmaterie können exotische Materiezustände aufgespürt werden. Zu diesem überraschenden Ergebnis kommen Theoretische Physiker um Nathan Goldman (Brüssel) und Peter Zoller (Innsbruck) in einer aktuellen Arbeit im Fachmagazin Science Advances. Sie liefern damit ein universell einsetzbares Werkzeug für die Suche nach topologischen Quantenzuständen.

In der Physik existieren gewisse Größen nur als ganzzahlige Vielfache elementarer und unteilbarer Bestandteile. Wie das antike Konzept des Atoms bezeugt, ist...

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Die Zukunft des Leichtbaus: Mehr als nur Material einsparen

23.08.2017 | Veranstaltungen

Logistikmanagement-Konferenz 2017

23.08.2017 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Oktober 2017

23.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Spot auf die Maschinerie des Lebens

23.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Die Sonne: Motor des Erdklimas

23.08.2017 | Physik Astronomie

Entfesselte Magnetkraft

23.08.2017 | Physik Astronomie