Neue Methoden zur genauen und schnellen Genomanalyse

Das komplette Genom eines Menschen kann in 2 Monaten entschlüsselt werden, die klinische Anwendung der Genomanalyse steht damit bald bevor

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In der dieswöchigen Ausgabe von Nature sind gleich zwei Artikel über neue, sehr leistungsfähige und günstige DNA-Sequenzierungsmethoden und ihre Anwendung veröffentlicht worden. Zwei weitere menschliche Genome wurden vollständig sequenziert, das Genom einer Asiatin und das eines Afrikaners. Bislang existiert nur die Sequenz einer handvoll kompletter Genome, unter anderem von zwei amerikanischen Biochemikern: von Craig Venter und DNA-Mitentdecker James Watson. Die neue Sequenzierung bietet die Grundlage für Erkenntnisse über die genetischen Variationen zwischen Individuen verschiedener Ethnien. Und es eröffnen sich weitere Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise in der klinischen Praxis.

Bislang war die Sequenzierung von DNA eine teure und vor allem langwierige Angelegenheit. Im Rahmen des Humangenomprojekts dauerte das Ganze mehrere Jahre und kostete ca. 300 Millionen Dollar. Hauptsächlich wurde die Sanger-Methode verwendet. Neben der DNA-Polymerase, Primern und Nukleotiden (Grundbestandteile der DNA, die u.a. jeweils eine der vier Basen A, T, C, G enthalten) werden auch 2‘ 3‘-Didesoxynukleotide in das Reaktionsgemisch gegeben. Und zwar jeweils nur von einer der vier Basen, man hat also vier Ansätze. Werden diese Didesoxynukleotide in den durch die DNA-Polymerase synthetisierten Polynukleotidstrang eingebaut, gibt es einen Kettenabbruch. Macht man nun jeweils eine Gel-Elektrophorese kann man die Basensequenz ablesen.

Das ist schon kompliziert genug. Außerdem können nur Stränge von bis zu ca. 1000 Basenparen (bp) abgelesen werden. Da das menschliche Genom ca. 3 Milliarden bp hat, kann man sich vorstellen, dass es eine logistische und zeitaufwändige Herausforderung ist. Deshalb dauerte die Entschlüsselung des menschlichen Genoms ca. 11 Jahre.

Für die klinische Diagnostik hat man sich darauf beschränkt, nur kleine Bereiche des Genoms zu betrachten und dort nach sogenannten Single Nucleotid Polymorphisms (SNP) zu suchen, also einzelne Basen, deren Mutation auf Krankheiten hinweisen kann. Der genetische Fingerabdruck beruht auch auf keiner kompletten Sequenzierung. Es gibt bestimmte repetitive Bereiche auf der DNA (auf nur ca. 1% der DNA befinden sich Gene), in denen sich eine kurze Basensequenz immer wieder wiederholt. Die Anzahl der Wiederholung ist individuell verschieden und kann zur Identifizierung genutzt werden.

Erst 2001 wurde das erste komplette humane Genom sequenziert. Es war das von J.C. Venter, der mit seiner Firma das Wettrennen um die Entschlüsselung des menschlichen Erbgutes gegen das öffentlich finanzierte Human Genome Project gewann. Das Genom von James Watson, dem Mitentdecker der DNA und Auslöser einiger Skandale, folgte.

Ein neuer, schnelle Ansatz: Parallelisierung

Die neuen Ansätze beruhen darauf, dass viele verschiedene Sequenzierungsvorgänge parallel ablaufen. Dazu muss die DNA vorher vermehrt und auf der Oberfläche der Reaktionskammer fixiert und in eine bestimmte Anordnung gebracht werden. Außerdem kommen sogenannte reversible Terminatoren zum Einsatz, die die Didesoxynukleotide aus der Sanger-Methode ersetzen. Sie bewirken nur einen reversiblen Ketteabbruch, so können in vielen Zyklen jeweils einzelne Basen analysiert werden. Durch die Parallelisierung kann die Geschwindigkeit der „Entschlüsselung“ enorm gesteigert werden. In Accurate whole human genome sequencing using reversible terminator chemistry stellt das internationale Forscherteam diese Methode vor, mit der das Genom eines Menschen aus dem westafrikanischen Volk der Yoruba sequenziert wurde. Hier wird auch vorgerechnet, wie effektiv die neue Methode sein kann. Mit dem hier eingesetzten Verfahren kostet die Analyse 250.000 Dollar und dauert acht Wochen. Für eine standardmäßige Anwendung natürlich noch zu teuer und lange, aber die Autoren weisen darauf hin, dass die Technik noch weiterentwickelt werden muss. Die Genauigkeit ist aber schon sehr hoch. Allerdings wurde das Genom von James Watson auch innerhalb von zwei Monaten, aber noch für eine Million US-Dollar sequenziert. In der Studie The diploid genome sequence of an Asian individual wird die Anwendung einer sehr ähnlichen Methode gezeigt, die chinesische Wissenschaftler entwickelt haben. Sie haben die DNA einer Asiatian analysiert und vergleichen das Genom mit den bereits vorhanden von J.D. Watson und J.C. Venter, um Unterschiede zwischen Ethnien festzustellen. Sie bescheinigen der neuen Methode eine höhere Genauigkeit und stellen Perspektiven der Anwendung.

Das eigene Genom für jeden

Für die Medizin könnte eine bezahlbare, schnelle Methode zur Genomsequenzierung nützlich sein, um beispielsweise individuell angepasste Medikamente oder Therapien durchzuführen. Kritischer ist die Anwendung um Risiken für Krankheiten vorauszusagen. Die Diskussion darüber ist schon in Gange, seit einige Firmen anbieten, die eigene DNA auf gewisse Risikomarker für beispielsweise Alzheimer oder die Affinität zur Abhängigkeit von Alkohol zu untersuchen.

Die Erforschung des menschlichen Erbguts steht aber noch ganz am Anfang. Wie übrigens auch die Forschung über Unterschiede im Erbgut zwischen den verschiedenen Ethnien. Aber da nun zwei weitere Genome zur Verfügung stehen, könnte das in Zukunft schneller gehen. Die Autoren der Studien stellen beispielsweise unterschiedliche Mutationsraten in bestimmten Gebieten der DNA fest.

Entscheidend ist aber, dass durch solche neue Techniken die Machbarkeit von standardmäßig durchführbaren Sequenzierungen des gesamten Genoms eines Individuums in greifbare Nähe rückt. Mit allen Chancen und Risiken, die dies beinhaltet. So müsse noch erforscht werden, wie die Menschen mit ihren genetische Informationen umgehen sollen und wie man einem Missbrauch vorbeugen kann.

Die Konkurrenz, auf dem profitträchtigen Markt, der erste zu sein oder eine entscheidende Position zu besetzen, ist groß. Private Firmen versuchen, mit viel Kapital und neuen, leistungsfähigen Maschinen die Konkurrenz zu überholen. So will das kalifornische Unternehmen Complete Genomics die vollständige Sequenzierung eines menschlichen Genoms ab dem nächsten Jahr für 5.000 US-Dollar anbieten und gleich schon einmal tausend Genomanalysen durchführen. Applied Biosystems rechnet mit seinen Maschinen mit 10.000 US-Dollar. Allerdings kommt es nicht nur auf Kosten und Schnelligkeit, sondern auch auf die Genauigkeit an.