Die Sequenzierung der DNA bedeutet, dass die Reihenfolge der vier chemischen Bausteine – der so genannten „Basen“ – bestimmt wird, aus denen das DNA-Molekül besteht. Die Sequenz gibt den Wissenschaftlern Aufschluss über die Art der genetischen Information, die in einem bestimmten DNA-Abschnitt enthalten ist. Anhand der Sequenzinformationen können Wissenschaftler beispielsweise feststellen, welche Abschnitte der DNA Gene enthalten und welche Abschnitte regulatorische Anweisungen enthalten, die Gene an- oder abschalten. Außerdem, und das ist wichtig, können Sequenzdaten Veränderungen in einem Gen aufzeigen, die eine Krankheit verursachen können.
In der DNA-Doppelhelix verbinden sich die vier chemischen Basen immer mit demselben Partner und bilden „Basenpaare“. Adenin (A) paart sich immer mit Thymin (T); Cytosin (C) paart sich immer mit Guanin (G). Diese Paarung ist die Grundlage für den Mechanismus, mit dem DNA-Moleküle bei der Zellteilung kopiert werden, und die Paarung liegt auch den Methoden zugrunde, mit denen die meisten DNA-Sequenzierungsexperimente durchgeführt werden. Das menschliche Genom enthält etwa 3 Milliarden Basenpaare, die die Anweisungen für die Herstellung und Erhaltung eines menschlichen Wesens enthalten.
ÜBERSICHT
Wie neu ist die DNA-Sequenzierung?
Seit dem Abschluss des Humangenomprojekts haben technologische Verbesserungen und Automatisierung die Geschwindigkeit erhöht und die Kosten so weit gesenkt, dass einzelne Gene routinemäßig sequenziert werden können und einige Labors weit über 100.000 Milliarden Basen pro Jahr sequenzieren können.
Viele dieser neuen Technologien wurden mit Unterstützung des Genomtechnologieprogramms des National Human Genome Research Institute (NHGRI) und seiner Advanced DNA Sequencing Technology Awards entwickelt. Eines der Ziele des NHGRI ist es, neue Technologien zu fördern, die letztendlich die Kosten für die Sequenzierung eines menschlichen Genoms in noch höherer Qualität als heute und für weniger als 1.000 Dollar senken könnten.
Welche neuen Sequenzierungsmethoden wurden entwickelt?
Seit dem Abschluss des Humangenomprojekts haben technologische Verbesserungen und Automatisierung die Geschwindigkeit erhöht und die Kosten so weit gesenkt, dass einzelne Gene routinemäßig sequenziert werden können, einige Labors weit über 100.000 Milliarden Basen pro Jahr sequenzieren können und ein ganzes Genom für nur wenige tausend Dollar sequenziert werden kann. Eines der Ziele des NHGRI ist es, neue Technologien zu fördern, die die Kosten für die Sequenzierung eines menschlichen Genoms in noch höherer Qualität als heute und für weniger als 1.000 Dollar senken könnten.
Sind neuere Sequenzierungstechnologien in der Entwicklung?
Bei einer neuen Sequenzierungstechnologie werden DNA-Polymerase-Moleküle beim Kopieren von DNA beobachtet – dieselben Moleküle, die in unseren Zellen neue DNA-Kopien erstellen – und zwar mit einer sehr schnellen Filmkamera und einem Mikroskop, wobei verschiedene Farben heller Farbstoffe verwendet werden, jeweils einer für die Buchstaben A, T, C und G. Diese Methode liefert andere und sehr wertvolle Informationen als die, die von den am häufigsten verwendeten Gerätesystemen geliefert werden.
Eine weitere neue Technologie, die derzeit entwickelt wird, ist die Verwendung von Nanoporen für die DNA-Sequenzierung. Bei der DNA-Sequenzierung auf Nanoporenbasis werden einzelne DNA-Stränge durch extrem kleine Poren in einer Membran gefädelt. Die DNA-Basen werden einzeln gelesen, während sie sich durch die Nanopore quetschen. Die Basen werden durch Messung der Unterschiede in ihrer Wirkung auf Ionen und den durch die Pore fließenden elektrischen Strom identifiziert. Das Ziel ist, dass die Sequenzierung weniger kostet und schneller geht. Im Gegensatz zu den derzeit verwendeten Sequenzierungsmethoden können Forscher mit der Nanoporen-DNA-Sequenzierung dasselbe Molekül immer wieder untersuchen.
Was bedeuten die Verbesserungen bei der DNA-Sequenzierung für die menschliche Gesundheit?
Forscher sind heute in der Lage, große DNA-Abschnitte – 1 Million Basen oder mehr – von verschiedenen Personen schnell und kostengünstig zu vergleichen. Solche Vergleiche können eine enorme Menge an Informationen über die Rolle der Vererbung bei der Anfälligkeit für Krankheiten und bei der Reaktion auf Umwelteinflüsse liefern. Darüber hinaus eröffnet die Möglichkeit, das Genom schneller und kostengünstiger zu sequenzieren, ein enormes Potenzial für Diagnostik und Therapien.
Obwohl die routinemäßige DNA-Sequenzierung in der Arztpraxis noch viele Jahre entfernt ist, haben einige große medizinische Zentren damit begonnen, die Sequenzierung zur Erkennung und Behandlung einiger Krankheiten einzusetzen. Bei Krebserkrankungen beispielsweise sind Ärzte zunehmend in der Lage, anhand von Sequenzdaten zu erkennen, an welcher Art von Krebs ein Patient leidet. Auf diese Weise kann der Arzt eine bessere Wahl der Behandlung treffen.
Die Forscher des vom NHGRI unterstützten Programms für undiagnostizierte Krankheiten versuchen mit Hilfe der DNA-Sequenzierung, die genetischen Ursachen seltener Krankheiten zu ermitteln. Andere Forscher untersuchen ihren Einsatz beim Screening von Neugeborenen auf Krankheiten und Krankheitsrisiken.
Darüber hinaus nutzt das vom NHGRI und dem National Cancer Institute unterstützte Projekt Cancer Genome Atlas die DNA-Sequenzierung, um die genomischen Details von etwa 30 Krebsarten zu entschlüsseln. Ein weiteres Programm der National Institutes of Health untersucht, wie die Genaktivität in verschiedenen Geweben gesteuert wird und welche Rolle die Genregulation bei Krankheiten spielt. Im Rahmen laufender und geplanter Großprojekte wird die DNA-Sequenzierung zur Untersuchung der Entstehung häufiger und komplexer Krankheiten wie Herzkrankheiten und Diabetes sowie von Erbkrankheiten eingesetzt, die körperliche Missbildungen, Entwicklungsverzögerungen und Stoffwechselkrankheiten verursachen.
Der Vergleich der Genomsequenzen verschiedener Tier- und Organismenarten wie Schimpansen und Hefe kann auch Einblicke in die Biologie der Entwicklung und Evolution geben.
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