Die Genomik ist die Untersuchung aller Gene eines Menschen (des Genoms), einschließlich der Wechselwirkungen zwischen diesen Genen untereinander und mit der Umwelt des Menschen.
ÜBERSICHT
Was ist DNA?
Die Desoxyribonukleinsäure (DNS) ist die chemische Verbindung, die die Anweisungen enthält, die zur Entwicklung und Steuerung der Aktivitäten fast aller lebenden Organismen erforderlich sind. DNA-Moleküle bestehen aus zwei verdrehten, gepaarten Strängen, die oft als Doppelhelix bezeichnet werden
Jeder DNA-Strang besteht aus vier chemischen Einheiten, den so genannten Nukleotidbasen, die das genetische „Alphabet“ bilden. Die Basen sind Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) und Cytosin (C). Basen auf gegenüberliegenden Strängen paaren sich auf besondere Weise: ein A paart sich immer mit einem T; ein C paart sich immer mit einem G. Die Reihenfolge der A’s, T’s, C’s und G’s bestimmt die Bedeutung der in diesem Teil des DNA-Moleküls kodierten Information, so wie die Reihenfolge der Buchstaben die Bedeutung eines Wortes bestimmt.
Was ist ein Genom?
Der vollständige DNA-Satz eines Organismus wird als sein Genom bezeichnet. Praktisch jede einzelne Zelle des Körpers enthält eine vollständige Kopie der etwa 3 Milliarden DNA-Basenpaare oder Buchstaben, aus denen das menschliche Genom besteht.
Die DNA enthält in ihrer Sprache mit vier Buchstaben die Informationen, die für den Aufbau des gesamten menschlichen Körpers erforderlich sind. Als Gen wird traditionell die Einheit der DNA bezeichnet, die die Anweisungen für die Herstellung eines bestimmten Proteins oder einer Reihe von Proteinen enthält. Jedes der schätzungsweise 20.000 bis 25.000 Gene im menschlichen Genom kodiert für durchschnittlich drei Proteine.
Die Gene befinden sich auf 23 Chromosomenpaaren, die im Kern einer menschlichen Zelle verpackt sind, und steuern mit Hilfe von Enzymen und Botenmolekülen die Produktion von Proteinen.
Genauer gesagt, kopiert ein Enzym die Informationen in der DNA eines Gens in ein Molekül, das Boten-Ribonukleinsäure (mRNA) genannt wird. Die mRNA wandert aus dem Zellkern in das Zytoplasma der Zelle, wo sie von einer winzigen molekularen Maschine, dem Ribosom, gelesen und die Informationen verwendet werden, um kleine Moleküle, die Aminosäuren, in der richtigen Reihenfolge miteinander zu verknüpfen, um ein bestimmtes Protein zu bilden.
Proteine bilden Körperstrukturen wie Organe und Gewebe, steuern chemische Reaktionen und übertragen Signale zwischen Zellen. Wenn die DNA einer Zelle mutiert ist, kann ein abnormales Protein produziert werden, das die üblichen Prozesse des Körpers stören und zu einer Krankheit wie Krebs führen kann.
Was ist DNA-Sequenzierung?
Sequenzierung bedeutet einfach, die genaue Reihenfolge der Basen in einem DNA-Strang zu bestimmen. Da die Basen paarweise vorliegen und die Identität einer der Basen des Paares das andere Mitglied des Paares bestimmt, müssen die Forscher nicht beide Basen des Paares angeben.
Bei der heute gebräuchlichsten Art der Sequenzierung, der so genannten Sequenzierung durch Synthese, wird die DNA-Polymerase (das Enzym in den Zellen, das die DNA synthetisiert) verwendet, um einen neuen DNA-Strang aus einem interessierenden Strang zu erzeugen.
Bei der Sequenzierungsreaktion baut das Enzym einzelne Nukleotide, die chemisch mit einer fluoreszierenden Markierung versehen wurden, in den neuen DNA-Strang ein. Dabei wird das Nukleotid durch eine Lichtquelle angeregt, und ein Fluoreszenzsignal wird ausgesendet und nachgewiesen.
Das Signal ist unterschiedlich, je nachdem, welches der vier Nukleotide eingebaut wurde. Mit dieser Methode können „Reads“ von 125 Nukleotiden in einer Reihe und Milliarden von Reads auf einmal erzeugt werden.
Um die Sequenz aller Basen in einem großen DNA-Stück wie einem Gen zusammenzusetzen, müssen die Forscher die Sequenz der sich überlappenden Segmente ablesen. Auf diese Weise lässt sich die längere Sequenz aus kürzeren Stücken zusammensetzen, ähnlich wie ein lineares Puzzle.
Dabei muss jede Base nicht nur einmal, sondern mindestens mehrmals in den sich überlappenden Segmenten abgelesen werden, um die Genauigkeit zu gewährleisten.
Mit Hilfe der DNA-Sequenzierung können Forscher nach genetischen Variationen und/oder Mutationen suchen, die bei der Entstehung oder dem Fortschreiten einer Krankheit eine Rolle spielen können. Die krankheitsverursachende Veränderung kann so klein sein wie die Substitution, Deletion oder Addition eines einzigen Basenpaares oder so groß wie eine Deletion von Tausenden von Basen.
Was ist das Humangenomprojekt?
Das Humangenomprojekt, das von den National Institutes of Health (NIH) unter der Leitung des National Human Genome Research Institute durchgeführt wurde, hat eine sehr hochwertige Version der menschlichen Genomsequenz hervorgebracht, die in öffentlichen Datenbanken frei zugänglich ist. Dieses internationale Projekt wurde im April 2003 erfolgreich abgeschlossen, unter dem Budget und mehr als zwei Jahre vor dem Zeitplan.
Die Sequenz stammt nicht von einer einzelnen Person, sondern ist ein Kompositum, das von mehreren Personen stammt. Es handelt sich also um eine „repräsentative“ oder generische Sequenz. Um die Anonymität der DNA-Spender zu gewährleisten, wurden mehr Blutproben (fast 100) von Freiwilligen entnommen als verwendet, und den analysierten Proben wurden keine Namen beigefügt. Somit wussten nicht einmal die Spender, ob ihre Proben tatsächlich verwendet wurden.
Mit dem Humangenomprojekt sollte eine Ressource geschaffen werden, die für ein breites Spektrum biomedizinischer Studien genutzt werden kann. Eine dieser Anwendungen ist die Suche nach genetischen Variationen, die das Risiko für bestimmte Krankheiten wie Krebs erhöhen, oder die Suche nach der Art von genetischen Mutationen, die häufig in Krebszellen auftreten.
Anschließend können weitere Forschungsarbeiten durchgeführt werden, um die Funktionsweise des Genoms vollständig zu verstehen und die genetischen Grundlagen für Gesundheit und Krankheit zu ermitteln.
Was bedeutet das für die medizinische Wissenschaft?
Praktisch jedes menschliche Leiden hat eine gewisse Grundlage in unseren Genen. Bis vor kurzem konnten Ärzte das Studium der Gene oder der Genetik nur bei Geburtsfehlern und einer begrenzten Anzahl von anderen Krankheiten in Betracht ziehen.
- Dabei handelte es sich um Krankheiten wie die Sichelzellenanämie, deren Vererbungsmuster sehr einfach und vorhersehbar sind, da sie jeweils durch eine Veränderung in einem einzigen Gen verursacht werden.
Mit dem riesigen Fundus an Daten über die menschliche DNA, der durch das Humangenomprojekt und andere genomische Forschungen entstanden ist, verfügen Wissenschaftler und Kliniker über leistungsfähigere Instrumente, um die Rolle zu untersuchen, die mehrere genetische Faktoren, die zusammen mit der Umwelt wirken, bei sehr viel komplexeren Krankheiten spielen.
Diese Krankheiten wie Krebs, Diabetes und Herz-Kreislauf-Erkrankungen machen den Großteil der Gesundheitsprobleme in den Vereinigten Staaten aus. Die genombasierte Forschung ermöglicht es medizinischen Forschern bereits, bessere Diagnosen, wirksamere therapeutische Strategien, evidenzbasierte Ansätze für den Nachweis der klinischen Wirksamkeit und bessere Entscheidungshilfen für Patienten und Anbieter zu entwickeln.
Letztendlich scheint es unvermeidlich, dass Behandlungen auf die besondere genomische Ausstattung eines Patienten zugeschnitten werden. Die Rolle der Genetik in der Gesundheitsfürsorge beginnt sich also grundlegend zu verändern, und die ersten Beispiele für die Ära der genomischen Medizin sind da.
Man muss sich jedoch darüber im Klaren sein, dass es oft viel Zeit, Mühe und finanzielle Mittel erfordert, um Entdeckungen aus dem wissenschaftlichen Labor in die medizinische Klinik zu bringen. Die meisten neuen Medikamente, die auf genombasierter Forschung beruhen, sind schätzungsweise noch mindestens 10 bis 15 Jahre entfernt, obwohl die jüngsten genombasierten Bemühungen im Bereich der Lipidsenkungstherapie diesen Zeitraum erheblich verkürzt haben.
Biotechnologieexperten zufolge dauert es in der Regel mehr als ein Jahrzehnt, bis ein Unternehmen die Art von klinischen Studien durchgeführt hat, die für eine Zulassung durch die Food and Drug Administration (FDA) erforderlich sind.
Screening- und Diagnosetests gibt es jedoch bereits. Auch auf dem neu entstehenden Gebiet der Pharmakogenomik werden rasche Fortschritte erzielt. Dabei geht es um die Nutzung von Informationen über die genetische Veranlagung eines Patienten, um die Arzneimitteltherapie besser auf seine individuellen Bedürfnisse abzustimmen.
- Natürlich ist die Genetik nur einer von mehreren Faktoren, die zum Risiko der Menschen für die meisten Volkskrankheiten beitragen. Auch Ernährung, Lebensstil und Umwelteinflüsse spielen bei vielen Erkrankungen eine Rolle, so auch bei vielen Krebsarten.
Ein tieferes Verständnis der Genetik wird jedoch mehr als nur erbliche Risiken beleuchten, indem es die grundlegenden Bestandteile der Zellen aufdeckt und schließlich erklärt, wie all die verschiedenen Elemente zusammenwirken, um den menschlichen Körper sowohl bei Gesundheit als auch bei Krankheit zu beeinflussen.
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