Die Entschlüsselung der letzten 8 % des menschlichen Genoms könnte Aufschluss darüber geben, wie viele Krankheiten entstehen und warum manche Menschen einem höheren Risiko ausgesetzt sind.
Was bedeutet die vollständige Sequenzierung des menschlichen Genoms für die Gesundheit?
Von Damian McNamara, MA
7. April 2022 C Während Wissenschaftler feiern, dass sie die letzten Teile des menschlichen Genoms entschlüsselt haben - eine wichtige Errungenschaft, auf die sie jahrzehntelang hingearbeitet haben -, fragt sich der Rest von uns, was dieser Durchbruch für unsere eigene Gesundheit und unser Wohlbefinden bedeuten könnte.
Experten erwarten von dieser neuen Forschung Fortschritte bei der Diagnose und Behandlung von Krebserkrankungen, Entwicklungsstörungen, Unfruchtbarkeit und vielen Krankheiten, die auf genetische Veränderungen zurückzuführen sind.
"Halleluja. Wir haben endlich ein menschliches Genom fertiggestellt. Dies ist der Beginn eines Wandels, nicht nur für die Genomforschung, sondern auch für die klinische Medizin", sagte Evan Eichler, PhD, auf einer Pressekonferenz, die vom National Human Genome Research Institute veranstaltet wurde.
"Dies wird erhebliche Auswirkungen auf die Grundlagenforschung und die klinische Genomik haben", sagte Dr. Karen Miga, Direktorin des Miga Labs an der University of California, Santa Cruz.
Miga ist eine weitere leitende Forscherin des Telomere-to-Telomere (T2T) Konsortiums, das Hunderte von Forschern zu diesem Projekt zusammengebracht hat. Der Name T2T macht Sinn, denn Telomere sind die Endkappen von DNA-Strängen, und die Kartierung des gesamten menschlichen Genoms bedeutet, dass unsere Gene von einem Ende zum anderen angeordnet werden.
Die Forscher haben nicht nur neue Abschnitte dieser Bausteine des menschlichen Körpers kartiert, sondern auch DNA-Abschnitte in den Zentromeren entdeckt. Zentromere befinden sich dort, wo die Arme der Chromosomen in der Mitte zusammengedrückt werden und eine X-Form bilden.
Die Zentromer-Gene sind bei jeder Zellteilung wichtig und werden mit Krebs, Entwicklungsstörungen und Unfruchtbarkeit in Verbindung gebracht", so Miga.
Krankheiten wie Krebs oder das Down-Syndrom hängen mit diesen Bereichen des Genoms zusammen, sagte Eichler, einer der Hauptautoren einiger der Forschungsarbeiten, die als fünf Studien gleichzeitig in der Zeitschrift Science veröffentlicht wurden.
Dank des technischen Fortschritts können Wissenschaftler nun erstmals längere Abschnitte des Genoms, die viele sich wiederholende, ähnliche Abschnitte enthalten, zusammensetzen. Einer der Forscher, Michael Schatz, PhD, hat eine Analogie gefunden. Vor fast zwei Jahrzehnten war es so, als würde man ein Puzzle mit 1.000 Teilen zusammensetzen, bei dem viele der Teile gleich aussahen, z. B. nur der blaue Himmel. Jetzt, da längere DNA-Sequenzen kartiert werden können, ist es eher so, als würde man ein Puzzle für ein Kleinkind mit riesigen Teilen zusammensetzen, die den blauen Himmel, Wolken und Berge zeigen.
Auf die Frage, wann die neuen Genominformationen für die Medizin genutzt werden, antwortete Schatz, Professor für Informatik und Biologie an der Johns Hopkins University in Baltimore: "Das geschieht bereits.
Zu wissen, welche Variante man in den von den Eltern vererbten Genen hat und welche Varianten im Krebs vorkommen, "ist für die Behandlung unglaublich wichtig", sagte er. "Bei Brustkrebs zum Beispiel kann man je nach den beteiligten Mutationsgruppen eine Chemotherapie gegen eine andere austauschen.
"Wir sehen dies bereits bei Krebs und anderen Krankheiten mit starken genetischen Komponenten", sagte Schatz.
"Es wird eine Zukunft geben, in der unsere Sequenzen unsere Gespräche mit Gesundheitsdienstleistern bereichern und uns helfen, mehr über unsere Gesundheit und unser Wohlbefinden zu erfahren", sagte Eric Green, MD, PhD, Direktor des National Human Genome Research Institute.
Kontrastieren und vergleichen
Eine vollständige Karte des menschlichen Genoms zu haben, bedeutet, dass sie als Referenz verwendet und mit anderen verglichen werden kann.
"Einer der wichtigsten Anhaltspunkte, die wir haben, um herauszufinden, welche Gene und Varianten klinisch relevant sind, ist ein wirklich einfacher Versuchsplan. Wir nehmen Tausende von Menschen, die eine Krankheit haben, und Tausende von Menschen, die die Krankheit nicht haben, und sehen uns systematisch ihre Genome an", so Schatz.
Der nächste Schritt besteht darin, herauszufinden, ob Menschen mit der Krankheit mit größerer oder geringerer Wahrscheinlichkeit bestimmte Variationen aufweisen", so Schatz. Der Erfolg hängt wirklich davon ab, dass wir einen vollständigen, umfassenden und genauen Überblick über die Variationen haben, sagte er.
"Mit diesem neuen vollständigen Genom als Referenz wird es nun möglich sein zu verstehen, wie Variationen in diesen technisch anspruchsvollen Sequenzen zu menschlichen Merkmalen und Krankheiten beitragen und wie sie durch die Kräfte der Evolution im Laufe der menschlichen Geschichte geformt wurden", sagte Dr. Rajiv McCoy.
Mehr Gehirne bitte
Neuere Technologien, die es den Forschern ermöglichen, längere DNA-Abschnitte zu untersuchen, bringen neue Erkenntnisse zutage, auch für Menschen mit Brustkrebs.
"Wir finden Varianten, die wir noch nie zuvor gesehen haben", sagte Schatz. "Ich kann jetzt nicht sagen, dass diese neuen Varianten kausal sind, aber die Tatsache, dass es neue Varianten gibt, die nur mit dieser neuen Technologie zugänglich sind, finde ich sehr spannend."
Trotz der potenziellen Vorteile für die klinische Medizin ist für mich am interessantesten, dass diese Regionen Gene enthalten, die uns einzigartig machen", so Eichler. Etwa die Hälfte der Gene, die uns ein größeres Gehirn als den Affen verleihen, stammen zum Beispiel aus diesen Regionen.
Abwechslung ist die Würze des Lebens?
Auch wenn 8 % nach einem geringen Prozentsatz klingen, so Schatz, haben er und seine Kollegen beim Vergleich von 3.202 Genomen mit dieser neuen Referenzkarte mehr als 1 Million weitere Varianten entdeckt.
"Jetzt, da wir das erste menschliche Genom vollständig sequenziert haben und mit den nächsten 100 Genomen beginnen, sehen wir eine unglaubliche Variation und eine Variation, die größtenteils unvorhergesehen war", sagte Eichler.
Die erste Anwendung wird darin bestehen, dass es weniger Fehler bei den derzeitigen klinischen Gentests und in der Forschung geben wird, sagte McCoy, ein Assistenzprofessor für Biologie an der Johns Hopkins University.
Später, so McCoy, ist es wahrscheinlich, dass Wissenschaftler in einigen dieser Regionen, die bisher verborgen waren, genetische Variationen identifizieren werden, die sowohl zu seltenen als auch zu häufigen Krankheiten beitragen, was den Weg für neue Diagnosen und Therapien ebnen könnte".
Eintauchen in die menschliche Vielfalt
Die Wissenschaftler planen außerdem, im Rahmen des Human Pangenome Reference Consortium Hunderte von Genomen von Menschen aus verschiedenen Bevölkerungsgruppen auf der ganzen Welt zu sequenzieren. Ein Ziel ist es, diese Genome mit Referenzgenomen zu vergleichen, um die menschliche Vielfalt besser zu verstehen.
"Diese Errungenschaft wird auch zu offenen und bedeutungsvollen Gesprächen über gesundheitliche Chancengleichheit und Zugang führen, sowie darüber, wie wir weiterhin genomische Ressourcen aufbauen können, die frei von Voreingenommenheit und Unterrepräsentation sind", sagte Green. In der Vergangenheit wurden genetische Studien dafür kritisiert, dass sie globale Populationen nicht repräsentieren.
"Obwohl die Möglichkeiten grenzenlos sind, gibt es noch viel zu tun, um die Vorteile der Telomere-zu-Telomere-Sequenzierung für alle zugänglich zu machen", so Green weiter.
Künftig
Es sei schwer vorherzusagen, wann diese Errungenschaft in der Medizin Anwendung finden werde, sagte McCoy, aber es sei "wahrscheinlich in den nächsten ein bis zwei Jahren".
Green fügte hinzu: "Das Aufregende, was ich in dieser Verbindung mit der Gesundheit sehe, ist die Zukunft der Medizin, in der wir glauben, dass eines Tages - und es beginnt bereits zu geschehen - Ärzte die Genomsequenzen nutzen werden, um die medizinische Versorgung ihrer Patienten anzupassen."
Dies sei ein erster Schritt, um den Ärzten einen "vollständigen Überblick über die Patienten" zu verschaffen.
Innerhalb von 10 Jahren "möchte ich, dass dies ein Routinetest für weniger als 1.000 Dollar ist, mit dem man in eine Klinik gehen und sein gesamtes Genom sequenzieren lassen kann, um diese Präzisionsmedizin zu ermöglichen", sagte Adam Phillippy, PhD, Leiter der Genom-Informatik-Abteilung des National Human Genome Research Institutes.
Das Ziel ist es, nicht nur die Gene zu katalogisieren, sondern auch ihre Funktion zu untersuchen.
"Indem wir die Genomtechnologie in diesen neuen Bereich bringen und versuchen herauszufinden, wie sie in Gesundheit und Krankheit reguliert werden, ist ein wirklich wichtiger nächster Schritt", sagte Miga.
"Seitdem die Menschen über die DNA und ihre Bedeutung Bescheid wissen, haben sie sich danach gesehnt, die vollständige Gensequenz zu kennen, und jetzt haben wir sie für ein einzelnes Genom", sagte Schatz.
Die Auswirkungen gehen über den Menschen hinaus und betreffen alles Leben auf der Erde", fügte er hinzu.
"Ich bin unglaublich gespannt auf die Anwendungen für die menschliche Gesundheit, das Verständnis von Populationen und den Blick über den Baum des Lebens hinaus auf alle Pflanzen, Tiere, Viren, Pilze - alles auf dem Planeten.
