Molekulargenetik und Genomik des Menschen – Wichtige Fortschritte und spannende Möglichkeiten

Die atemberaubenden Fortschritte der Molekulargenetik in den vergangenen 50 Jahren und der Übergang zur genomischen Medizin wären in den 1970er-Jahren schwer vorstellbar gewesen. Der Begriff Genomik war noch nicht geprägt, die Werkzeuge und Technologien der modernen Biotechnologie steckten in den Anfängen, und selbst die Sequenzierung weniger Nukleotide war nur selten möglich, also die Erstellung einer detaillierten Karte unseres genetischen Codes.

Unvorhersehbare Fortschritte

Die ersten Schritte der genomischen Medizin waren bahnbrechende DNA-bezogene Entdeckungen wie das rekombinante Verfahren von Boyer und Cohen, Sangers DNA-Sequenzierung und die von Mulli entwickelte Polymerase-Kettenreaktion (PCR) . Selbst vor diesem Hintergrund wirkte die Idee eines „Großforschungsprojekts“ zur Sequenzierung des menschlichen Genoms radikal.

1987 bezeichnete die New York Times das Humangenomprojekt als das größte, teuerste und provokativste biomedizinische Forschungsprojekt der Geschichte. Zwischen dem Projektbeginn 1990 und dem Abschluss 2003 entwickelte sich die Genomtechnologie jedoch dramatisch.

Die DNA-Sequenzierungsleistung stieg von 1000 Basenpaaren pro Tag auf mehr als 1000 Basenpaare pro Sekunde. Das öffnete den Weg für kostengünstige Sequenzierungstechniken und genomische Entwicklungen in der regulären medizinischen Versorgung. Genomforschung reicht heute von der Suche nach dem Verständnis der Grundlage des menschlichen genetischen Codes über die Beschreibung seiner Unterschiede zwischen Menschen bis zur Anwendung dieses Wissens in gezielt auf Krankheitsursachen abgestimmten Eingriffen.

DNA hat eine leiterähnliche Doppelhelixstruktur und besteht aus 4 Nukleotidarten: Adenin, Thymin, Cytosin und Guanin. Unser genetischer Code DNA lässt sich damit als Sprache aus 4 Buchstaben verstehen. DNA gibt Zellen Anweisungen, was sie tun sollen. Die menschliche DNA besteht aus 3 Milliarden Nukleotidpaaren; etwa 2% der DNA-Helix sind für die Produktion der grundlegenden Zellbausteine, der Proteine, verantwortlich. Diese bedeutungstragenden DNA-Abschnitte heißen Gene. Unsere DNA enthält ungefähr 20 Tausend Gene; ihre Gesamtheit wird Genom genannt.

Genomische Fortschritte veränderten die Medizin

Die Entwicklung genomischer Werkzeuge und Datensätze veränderte die Natur medizinischer Entdeckungen: Wissenschaftler können umfassende, leistungsfähige Entdeckungen machen, statt nur Hypothesen zu einzelnen möglichen Signalwegen zu testen. Nach der Fertigstellung der ersten Ressource zur Sequenzierung des menschlichen Genoms verlagerte sich die Aufmerksamkeit von der Untersuchung der Gene darauf, ihre Funktionen zu entdecken. Systematische genetische Kartierung in Familien und Bevölkerungen half Wissenschaftlern, die genaue Lage genetischer Veränderungen zu bestimmen, die menschliche Krankheiten verursachen. Als Ergebnis des Humangenomprojekts wurde die Medizin nach 2000 gewissermaßen neu geschrieben.

Die Auswirkungen sind tiefgreifend. Die Entdeckung von mehr als 5000 Genen für seltene mendelsche, also erbliche Erkrankungen erleichtert die genetische Diagnose für viele Patienten, schwangerschaftsbezogene Beratung, neue medikamentöse Therapien und in manchen Fällen Gentherapien.

Die Entdeckung von mehr als 100000 robusten Zusammenhängen zwischen Genomregionen und häufigen Krankheiten zeigte neue biologische Mechanismen auf: etwa die Rolle der Mikroglia bei Alzheimer, der Autophagie bei entzündlichen Darmerkrankungen oder des synaptischen Prunings bei Schizophrenie. Sie ermöglichte außerdem polygene Risikoscores zur Erkennung von Patienten mit hohem Risiko für Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Brustkrebs und andere Leiden. Dafür sind jedoch zusätzliche strenge Prüfungen einschließlich der Bewertung klinischer Ergebnisse erforderlich.

Krebsgenomstudien enthüllten Hunderte Gene mit somatischen, nicht erblichen Mutationen, die Tumorentstehung und -wachstum fördern. Dieses Wissen trieb die Entwicklung neuer Medikamente voran, die wir in der Onkologie als intelligente, gegen genetische Ziele gerichtete Medikamente bezeichnen.

Genomanalysen, also Gentests, bei Krebs helfen auch zu erklären, warum manche Menschen auf bestimmte Behandlungen ansprechen oder bestimmte Infektionen überleben und andere nicht.

Meilensteine der menschlichen Molekulargenetik und Genomik – Kurze Geschichte

Abkürzungen: Cas9: CRISPR-assoziiertes Protein 9 / CRISPR: gruppierte, regelmäßig unterbrochene palindromische Wiederholungen / HGP: Humangenomprojekt / NIH: US National Institutes of Health

• 1973 – Herbert Boyer und Stanley Cohen entwickelten die rekombinante DNA-Technologie.
• 1977 – Walter Gilbert und Fredick Sanger entdeckten Verfahren zur DNA-Sequenzierung.
• 1983 – Kary Mullis erfand die Anwendung der Polymerase-Kettenreaktion (PCR).
  James Gusella und Nancy Wexler ordnen das erste krankheitsassoziierte Gen molekular einem menschlichen Chromosom zu.
• 1986 – Leroy Hood erfand den automatisierten DNA-Sequenzierer.
• 1990 – NIH und das Energieministerium starten das Humangenomprojekt (HGP).
• 1994 – Die Ziele des HGP zur Kartierung der menschlichen Genetik wurden erreicht. 
• 1995 – Die Ziele des HGP zur Kartierung der menschlichen Genetik wurden erreicht.
• 1996 – Das HGP beginnt Strategien für die großflächige Sequenzierung des menschlichen Genoms zu testen.
• 1997 – In den später sogenannten „Bermuda-Prinzipien“ unterstützen HGP-Forscher die rasche öffentliche Veröffentlichung von Genomsequenzdaten ohne Nutzungsbeschränkungen.
• 2001 – Das internationale HGP-Konsortium veröffentlicht den ersten Entwurf der menschlichen Genomsequenz; J. Craig Venters Gruppe bei der Celera Genomic Association veröffentlicht eine andere Fassung.
• 2002 – Das internationale HapMap-Projekt beginnt Daten über menschliche genetische Variation zu sammeln, um die Identifizierung von Genen häufiger Erkrankungen zu beschleunigen.
• 2003 – Das HGP wird durch die Erstellung einer Referenzsequenz des menschlichen Genoms zwei Jahre früher als geplant abgeschlossen.
• 2006 – Die NIH starten den Krebsgenomatlas (TCGA), um mehr als 20000 Proben aus 33 Krebsarten molekular zu charakterisieren.
• 2008 – In den USA wird der Genetic Information Nondiscrimination Act zum Schutz vor diskriminierender Nutzung genetischer Informationen bei Krankenversicherung und Beschäftigung verabschiedet.
• 2009 – Als klinische Premiere sequenzieren Forscher aus Wisconsin alle Gene eines 5-jährigen Jungen und nutzen die Daten, um eine neue Krankheit genau zu lokalisieren. Dies führt zu einer lebensrettenden Behandlung.
• 2012 – Das Konsortium Human Heredity and Health in Africa (H3Afrika) hält seine erste Sitzung in Addis Abeba, Äthiopien, ab.
• Emanuella Charpentier und Jennifer Doudna zeigen, dass CRISPR DNA in vitro verändern kann. Dies bringt ihnen 2020 den Nobel-Friedenspreis im Fach Chemie ein. Ungefähr 6 Monate später weisen Feng Zhang und George Church unabhängig voneinander CRISPR-Editierung in Säugetierzellen nach.
• 2018 – TCGA veröffentlicht den Pan-Krebs-Atlas, eine Sammlung krebsübergreifender Analysen auf Grundlage des vollständigen Datensatzes.
  Die NIH beginnen die Aufnahme in das Forschungsprogramm „Wir alle (All of Us)“, eine groß angelegte Forschungsressource mit mehr als 1 Million Teilnehmern, die genetische, Gesundheits- und Umweltdaten beitragen sollen.
• 2020 – Der erste Patient mit Sichelzellanämie wird ex vivo mithilfe von CRISPR – Cas9 behandelt.

Forscher konzentrierten sich auf Genexpression

In letzter Zeit verlagerte sich der Schwerpunkt genetischer Forschung über die Analyse von DNA-Variationen hinaus auf Genexpressionsmuster einzelner Zellen. Neue Verfahren zur Einzelzell-RNA-Sequenzierung und Chromatinanalyse ermöglichten diesen Schritt. Auf dem Weg zu einem vollständigen Zellatlas des menschlichen Körpers wurden bisher Dutzende Millionen Zellen charakterisiert. Diese Arbeit enthüllt Hunderte neue Zelltypen und beschreibt, wie sich Zelltypen zwischen gesunden Menschen und Menschen mit verschiedenen Erkrankungen unterscheiden.

Die Kosten einer vollständigen Genomsequenzierung sanken von 3 Milliarden Dollar während des Humangenomprojekts auf heute 600 Dollar. Dadurch wachsen die Bemühungen, große Biobanken mit vollständigen Genomsequenzen und Phänotypinformationen von Hunderttausenden Menschen aufzubauen. Beispiele sind die UK Biobank und das US-Forschungsprogramm „Wir alle (All of Us)“. Das abschließende Ziel sind Gesundheitssysteme, die Krankenakten mit genomischen Informationen verbinden.

• Verwandtes Thema: Was sind Ganzexomsequenzierung und Genomsequenzanalyse?

Es liegt noch ein weiter Weg vor uns

Um menschliche genetische Unterschiede und die genetischen Grundlagen von Krankheiten zu verstehen, bleibt noch viel zu tun.

Obwohl die Untersuchung von Menschen mit unterschiedlichen Krankheitsgeschichten Erkenntnisse über biologische und gesundheitliche Unterschiede verspricht, stammen sowohl Forscher als auch Teilnehmer genomischer Studien überwiegend aus Europa. Dieser Mangel an Vielfalt behindert unser Verständnis der eigenen Biologie, verschärft bereits unakzeptable gesundheitliche Unterschiede und wirft die Frage auf, ob polygene Risikoscores, Diagnosen und Medikamente aus genomischer Forschung allen Bevölkerungen gleichermaßen nutzen.

Studien mit Menschen unterschiedlicher familiärer Herkunft zeigten:

• Genomische Variation geht mit Erkrankungsrisiken,
• Medikamentenreaktionen und
• der diagnostischen Genauigkeit genomisch geleiteter klinischer Ansätze einher; auf Bevölkerungsebene bestehen dabei Unterschiede.

Beispiele

Eine für afrikanische Herkunft typische APOL1-Variante schützt vor afrikanischer Schlafkrankheit, erhöht aber das Risiko für Nierenversagen. Diese Varianten erklären etwa 70% der nicht diabetischen Nierenversagensfälle bei Menschen afrikanischer Herkunft in den Vereinigten Staaten.

Ein Risikohaplotyp für Typ-2-Diabetes in SLC16A11, der bei ungefähr der Hälfte der indigenen Amerikaner vorkommt und bei Menschen europäischer oder afrikanischer Herkunft selten ist, erklärt etwa 20% der höheren Typ-2-Diabetes-Häufigkeit bei mexikanischen Amerikanern im Vergleich zu europäischstämmigen Amerikanern.

Genomische Forschung zeigt auch, dass PCSK9-Funktionsverlustmutationen bei Menschen afrikanischer Herkunft häufiger sind als in anderen Bevölkerungen. Solche Mutationen senken Cholesterinwerte und das Herzerkrankungsrisiko.

Mehrere Initiativen sollen die Beteiligung von Forschern und Studienteilnehmern aus bislang unterrepräsentierten Bevölkerungen erhöhen. Die afrikanische Initiative Human Heredity and Health entwickelte zum Beispiel ein panafrikanisches Laborkonsortium, das mehr als 500 afrikanischen Wissenschaftlern Zugang zu genomischen Technologien verschafft. Mehr als 60.000 Forschungsteilnehmer wurden aufgenommen, ein Bioinformatiknetzwerk und drei regionale Biorepositorien aufgebaut.

Ziel: Geneditierungstechnologien

Genetische Erkrankungen werden dank genomischer Sequenzierungstechnologie heute deutlich schneller diagnostiziert. Behandlungen zu entwickeln und zu validieren ist jedoch schwieriger. Für einige mendelsche Erkrankungen wurden molekular zielgerichtete Medikamente auf Grundlage eines detaillierten Verständnisses der Pathologie entwickelt. Die Entdeckung des CFTR-Gens im Jahr 1989 und darauf aufbauende Forschung ermöglichen beispielsweise, 90% der Menschen mit zystischer Fibrose sichere und wirksame molekular zielgerichtete Medikamente anzubieten. Dieser Ansatz kann jedoch Jahrzehnte dauern und lässt sich auf Tausende weitere genetische Erkrankungen nicht gut übertragen, weil ihre genaue molekulare Ursache unbekannt ist.

Eine Strategie, die direkt gegen das Gen gerichtete wirksame Behandlungen ermöglicht, könnte große Fortschritte bringen. Nach Jahren mit Höhen und Tiefen entstehen wichtige Erfolge der Gentherapie, etwa bei spinaler Muskelatrophie und Hämophilie. Das Forschungstempo könnte künftig deutlich steigen; präzise zielgerichtete Geneditierungs-Technologien eröffnen bereits neue therapeutische Wege.

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Nobelpreis für Chemie 2020

In den vergangenen mehr als 8 Jahren entstanden CRISPR – Cas9 (gruppierte, regelmäßig unterbrochene palindromische Wiederholungen – CRISPR-assoziiertes Protein 9) als anpassungsfähige und zugängliche Werkzeuge zur Erforschung und Veränderung von Genomen. CRISPR – Cas9 kann durch das Erzeugen zielgerichteter DNA-Brüche, die eine ortsspezifische DNA-Reparatur auslösen, dazu verwendet werden, das Genom zu bearbeiten . In Formaten der nächsten Generation kann es auch die Transkriptionsleistung von Genen steuern oder Genomsequenzen durch Nukleotid-Baseneditierung verändern, bei der keine Reparatur von DNA-Brüchen erforderlich ist. Mit der weiteren Reifung dieser Technologien wird es zunehmend möglich, zelluläre Genome wirksam und präzise zu verändern.

Die CRISPR-Technologie wurde sowohl für ihre bisherigen Beiträge als auch für ihr Potenzial zur Veränderung der Zukunft mit dem Nobelpreis für Chemie 2020 ausgezeichnet.

Nach den entwickelten Nukleasen beschleunigen CRISPR – Cas9-Werkzeuge die genomische Forschung, indem sie eine hochwirksame Bearbeitung oder Ausschaltung nahezu jedes Gens in Zellen oder Modellorganismen ermöglichen. Mehrere klinische Studien auf Grundlage von CRISPR – Cas9 laufen oder sollen bald beginnen. Obwohl Cas9-modifizierte Zellen ihre Wirksamkeit in größerem Maßstab noch nicht bewiesen haben, zeigen frühe Studienergebnisse, dass solche Zellen stabil sind und beim Menschen keine akut auftretenden unerwünschten Reaktionen verursachen. Die langfristige Sicherheit steht noch nicht fest. Derzeitige Anwendungen konzentrieren sich weitgehend auf Einzelgenerkrankungen, um Geneditierungen ex vivo an geeigneten Zellen vorzunehmen, etwa hämatopoetischen Knochenmarkstammzellen bei Sichelzellanämie. Die Forschung entwickelt Transportsysteme, die das Geneditierungswerkzeug in vivo gezielt ins passende Gewebe bringen können.

Fazit

Fortschritte der Genomtechnologie werden die Grundlagenforschung weiterhin auf kraftvolle, nicht vollständig vorhersehbare Wege führen. Vor 10 Jahren hätten wir uns einen sofortigen kostenlosen Zugriff auf große Datenmengen zu Genomen, Transkriptomen und Chromatinmarkierungen nicht einmal vorstellen können. In den nächsten 5-10 Jahren wird das möglich sein, und zunehmend werden solche Daten für einzelne Zellen vorliegen. Alle Biologen, Genetiker und Bioinformatiker werden auf diese Datensätze vorbereitet sein müssen. Genomische Daten dieses Umfangs bieten Chancen für biologische Erkenntnisse, die hochkomplexe computergestützte Analysen erfordern.