Einführung in das Humangenomprojekt

Der Satz von Nukleinsäuresequenzen oder Genen, die die DNA eines Organismus bilden, ist sein Genom. Im Wesentlichen ist ein Genom eine molekulare Blaupause zum Aufbau eines Organismus. Das menschliches Erbgut ist der genetische Code in der DNA der 23 Chromosomenpaare von Homo sapiens, plus die DNA in menschlichen Mitochondrien. Ei- und Samenzellen enthalten 23 Chromosomen (haploides Genom), die aus rund drei Milliarden DNA-Basenpaaren bestehen. Somatische Zellen (z. B. Gehirn, Leber, Herz) haben 23 Chromosomenpaare (diploides Genom) und etwa sechs Milliarden Basenpaare. Etwa 0,1 Prozent der Basenpaare unterscheiden sich von Person zu Person. Das menschliche Genom ähnelt zu 96 Prozent dem eines Schimpansen, der Art, die am nächsten verwandt ist.

Die internationale wissenschaftliche Forschungsgemeinschaft versuchte, eine Karte der Sequenz der Nukleotid-Basenpaare zu erstellen, aus denen sich die menschliche DNA zusammensetzt. Die US-Regierung begann 1984 mit der Planung des Human Genome Project (HGP) mit dem Ziel, die drei Milliarden Nukleotide des haploiden Genoms zu sequenzieren. Eine kleine Anzahl anonymer Freiwilliger lieferte die DNA für das Projekt, sodass das fertige menschliche Genom ein Mosaik aus menschlicher DNA und nicht die genetische Sequenz einer Person war.

Geschichte und Zeitleiste des Humangenomprojekts

Während die Planungsphase im Jahr 1984 begann, wurde das HGP erst im Jahr 1990 offiziell gestartet. Zu diesem Zeitpunkt schätzten die Wissenschaftler, dass es 15 Jahre dauern würde, bis die Karte fertiggestellt war. Fortschritte in der Technologie führten jedoch eher im April 2003 als 2005 zum Abschluss. Das US-Energieministerium (DOE) und die US-amerikanischen National Institutes of Health (NIH) stellten den größten Teil der öffentlichen Mittel in Höhe von 3 Mrd. USD bereit (insgesamt 2,7 Mrd. USD wegen vorzeitiger Fertigstellung). Genetiker aus der ganzen Welt wurden eingeladen, an dem Projekt teilzunehmen. Zum internationalen Konsortium gehörten neben den USA auch Institute und Universitäten aus Großbritannien, Frankreich, Australien, China und Deutschland. Wissenschaftler aus vielen anderen Ländern nahmen ebenfalls teil.

So funktioniert die Gensequenzierung

Um eine Karte des menschlichen Genoms zu erstellen, mussten die Wissenschaftler die Reihenfolge des Basenpaars auf der DNA aller 23 Chromosomen bestimmen (tatsächlich 24, wenn man bedenkt, dass die Geschlechtschromosomen X und Y unterschiedlich sind). Jedes Chromosom enthielt 50 Millionen bis 300 Millionen Basenpaare, da jedoch die Basenpaare auf einer DNA-Doppelhelix komplementär sind (dh Adeninpaare mit Thymin und Guaninpaare mit Cytosin), wobei die Zusammensetzung eines Strangs der DNA-Helix automatisch bekannt war Informationen zum komplementären Strang. Mit anderen Worten, die Natur des Moleküls vereinfachte die Aufgabe.

Während mehrere Methoden verwendet wurden, um den Code zu bestimmen, verwendete die Haupttechnik BAC. BAC steht für "bakterielles künstliches Chromosom". Zur Verwendung von BAC wurde humane DNA in Fragmente mit einer Länge zwischen 150.000 und 200.000 Basenpaaren gebrochen. Die Fragmente wurden in bakterielle DNA inseriert, so dass sich bei der Reproduktion der Bakterien auch die menschliche DNA replizierte. Dieser Klonierungsprozess lieferte genug DNA, um Proben für die Sequenzierung herzustellen. Um die 3 Milliarden Basenpaare des menschlichen Genoms abzudecken, wurden ungefähr 20.000 verschiedene BAC-Klone hergestellt.

Die BAC-Klone stellten eine sogenannte "BAC-Bibliothek" her, die alle genetischen Informationen für einen Menschen enthielt, aber es war wie eine Bibliothek im Chaos, ohne die Reihenfolge der "Bücher" zu bestimmen. Um dies zu beheben, wurde jeder BAC-Klon auf die menschliche DNA abgebildet, um seine Position im Verhältnis zu anderen Klonen zu finden.

Als nächstes wurden die BAC-Klone zur Sequenzierung in kleinere Fragmente mit einer Länge von etwa 20.000 Basenpaaren geschnitten. Diese "Subklone" wurden in eine Maschine namens Sequenzer geladen. Der Sequenzer bereitete 500 bis 800 Basenpaare vor, die ein Computer in der richtigen Reihenfolge zusammenstellte, um sie an den BAC-Klon anzupassen.

Bei der Ermittlung der Basenpaare wurden diese der Öffentlichkeit online und frei zugänglich zur Verfügung gestellt. Schließlich waren alle Teile des Puzzles vollständig und so angeordnet, dass sie ein vollständiges Genom bildeten.

Ziele des Humangenomprojekts

Das Hauptziel des Humangenomprojekts war die Sequenzierung der 3 Milliarden Basenpaare, aus denen sich die menschliche DNA zusammensetzt. Aus der Sequenz konnten die geschätzten 20.000 bis 25.000 menschlichen Gene identifiziert werden. Im Rahmen des Projekts wurden jedoch auch die Genome anderer wissenschaftlich bedeutender Arten sequenziert, einschließlich der Genome der Fruchtfliege, der Maus, der Hefe und des Spulwurms. Das Projekt entwickelte neue Werkzeuge und Technologien für die genetische Manipulation und Sequenzierung. Der öffentliche Zugang zum Genom sicherte dem gesamten Planeten den Zugang zu Informationen, um neue Entdeckungen anzustoßen.

Warum das Humangenomprojekt wichtig war

Das Human Genome Project bildete den ersten Entwurf für eine Person und ist nach wie vor das größte Biologie-Verbundprojekt, das die Menschheit jemals abgeschlossen hat. Da das Projekt Genome mehrerer Organismen sequenzierte, konnten Wissenschaftler sie vergleichen, um die Funktionen von Genen aufzudecken und festzustellen, welche Gene für das Leben notwendig sind.

Die Wissenschaftler nutzten die Informationen und Techniken aus dem Projekt, um Krankheitsgene zu identifizieren, Tests auf genetische Krankheiten zu entwickeln und beschädigte Gene zu reparieren, um Probleme zu vermeiden, bevor sie auftreten. Die Informationen werden verwendet, um anhand eines genetischen Profils vorherzusagen, wie ein Patient auf eine Behandlung anspricht. Während die erste Karte Jahre in Anspruch nahm, haben Fortschritte zu einer schnelleren Sequenzierung geführt, die es Wissenschaftlern ermöglicht, die genetische Variation in Populationen zu untersuchen und schneller zu bestimmen, was bestimmte Gene bewirken.

Das Projekt beinhaltete auch die Entwicklung eines ELSI-Programms (Ethical, Legal and Social Implications). ELSI wurde zum größten Bioethik-Programm der Welt und dient als Modell für Programme, die sich mit neuen Technologien befassen.

Quellen

• Dolgin, Elie (2009). "Humangenomik: Die Genom-Finisher." Natur. 462 (7275): 843 & ndash; 845. doi: 10.1038 / 462843a
• McElheny, Victor K. (2010). Zeichnen der Karte des Lebens: Im Rahmen des Humangenomprojekts. Grundlegende Bücher. ISBN 978-0-465-03260-0.
• Pertea, Mihaela; Salzberg, Steven (2010). "Zwischen Huhn und Traube: Schätzung der Anzahl menschlicher Gene." Genombiologie. 11 (5): 206. doi: 10.1186 / gb-2010-11-5-206
• Venter, J. Craig (18. Oktober 2007). Ein entschlüsseltes Leben: Mein Genom: Mein Leben. New York, New York: Wikinger Erwachsener. ISBN 978-0-670-06358-1.