Erbgut-Daten"Das Genom ist ein Dschungel voll seltsamer Kreaturen"

Es ist das größte Open-Access-Projekt der Genetik. 442 Forscher haben das Erbgut so genau wie nie untersucht. Das ist ein ungeheurer Schatz, sagt Chef-Forscher Birney. von 

ZEIT ONLINE: Das Humangenomprojekt hat schon vor zehn Jahren unser Genom entziffert und die menschlichen Gene erkundet. Jetzt haben Sie und 442 Kollegen noch mal fünf Jahre daran gearbeitet. Wieso eigentlich?

Ewan Birney: Es gehörte tatsächlich zu unseren Aufgaben, die Suche nach den Genen zu Ende zu führen, auch wenn viele Leute denken, das sei längst geschehen. Doch die Gene machen nur einen winzigen Teilt der Erbinformation aus. Das große Ziel von Encode (Encyclopedia of DNA Elements) war, herauszufinden, wofür der ganze Rest des Genoms eigentlich gut ist – all die nicht kodierende DNA, die man abschätzig Junk nannte.

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ZEIT ONLINE: Sie scheinen einiges entdeckt zu haben…

Birney: Wir haben mindestens 40 Veröffentlichungen in drei Fachjournalen auf einen Schlag online gestellt . Dreißig von denen sind durch eine Matrix verlinkt, sodass Leser jeden Aspekt quer verfolgen können. Das hat es noch nie gegeben.

ZEIT ONLINE: Und was haben Sie nun im Genom gefunden?

Birney: Es steckt voller Überraschungen. Es geht dort viel mehr vor sich, als wir je erwartet haben. Das Erbgut ist voller Aktivität .

ZEIT ONLINE: Also müssen wir die Idee beerdigen, dass unser Genom zum größten Teil aus Müll besteht?

Birney: So ist es. Junk-DNA war nie eine besonders treffende Metapher, wenn sie mich fragen. Die dunkle Materie des Erbguts finde ich viel besser.

Encode-Projekt

Im September 2003 gründete das nationale Genomforschungsinstitut der USA (NHGRI) das Wissenschaftlerkonsortium Encyclopedia Of DNA Elements – kurz Encode. Zusammen mit dem European Bioinformatics Institute im britischen Hinxton, das Teil des europäischen Labors für Molekularbiologie (EMBL) ist, führt das öffentlich geförderte Projekt das Humangenomprojekt fort.

Letzteres veröffentlichte im Jahr 2000 eines von zwei weitgehend kompletten menschlichen Erbgutsequenzen. Mehr als ein Jahrzehnt lang hatten Forscher daran gearbeitet. Das Ziel von Encode ist es, Sinn in das entzifferte menschliche Genom zu bringen. Wie funktioniert die DNA, wie lenkt sie die Entwicklung des Körpers, der Organe, des Lebens?

Am Projekt waren rund 442 Wissenschaftlern aus 32 Laboren in Großbritannien, den USA, Spanien, Singapur und Japan beteiligt.

Vorläufige Ergebnisse

Die ersten Ergebnisse von Encode sind nun gleichzeitig in 30 vernetzten, frei zugänglichen Artikeln veröffentlicht worden und sind ab sofort online frei für Forscher verfügbar.

Erstmals scheint klar, dass rund 80 Prozent des Genoms für biologische Funktionen kodieren und sie regulieren. Bislang dachte man, dass ein Großteil des menschlichen Erbguts kaum eine Aufgabe wahrnimmt.

Zudem entdeckten die Encode-Forscher vier Millionen Regionen im Erbgut, die die Biologie des menschlichen Körpers lenken. Sie regulieren Gene, aktivieren oder deaktivieren sie. Sie sind Teil des Schaltplans des menschlichen Lebens.

Mit Encode gibt es zwar noch keine konkreten Antworten, wie sich etwa bestimmte Krankheiten bekämpfen oder gar heilen lassen. Das Projekt liefert aber die Grundlagen für deren künftige Erforschung. Encode offenbart einen gigantischen Datenschatz, den Wissenschaftler wohl noch jahrzehntelang nach Antworten durchforsten werden.

Datenumfang

Die Datensätze, die Encode im Laufe der Jahre generiert hat, sind groß. Auf einen Schlag sind nun 15 Terabytes an Rohdaten öffentlich zugänglich. Das entspricht der Speicherkapazität von 960 Smartphones mit einem üblichen 16-GB-Speicher.

Die bei Encode verwendeten Rechner und Computer mussten für ihre Analyse zusammengenommen 300 Jahre laufen.

Der gesamte veröffentlichte Inhalt von Encode wurde digital vernetzt, damit Leser zusammenhängende Informationen über alle 30 Forschungsartikel hinweg folgen können, bis hin zu den ursprünglichen Daten.

ZEIT ONLINE: Und wie viel dunkle Materie ist nach Encode im Erbgut noch übrig?

Birney: Man kann nicht sagen: Also diesen Teil verstehen wir, jenen Teil nicht. Es gibt zu viele Funktionsebenen im Genom. Ganz einfach gesagt haben wir nun 80 Prozent der gesamten Erbanlagen einer biologischen Aktivität zugeordnet. Davon kodieren 1,2 Prozent für all die Eiweiße des Körpers, aber weitere 20 Prozent dienen der Steuerung dieser Gene.

ZEIT ONLINE: Verstehen wir denn nun, wie das Erbgut funktioniert? 

Birney: Leider nicht. Ich wünschte, das wäre so.

Ewan Birney
Ewan Birney

Der Bioinformatiker ist stellvertretender Direktor des European Bioinformatics Institute im britischen Hinxton, das Teil des europäischen Labors für Molekularbiologie (EMBL) ist. Birney koordinierte die Datenanalysen des Encode-Projekts.

ZEIT ONLINE: Aber wir haben eine Art Schaltplan für unser Erbgut vor Augen?

Birney: Das ist eine ganz gute Analogie. Nur man kann wirklich nicht sagen, das unsere Genom sauber und ordentlich aussieht. Welch unerforschter Wildnis wir da begegnet sind! Es ist ein Dschungel voll seltsamer Kreaturen. Es ist kaum zu fassen, wie dicht das Erbgut mit Information gepackt ist. Wir sind jetzt in der Situation eines Elektrikers, der in einem alten Haus die Elektrik kontrollieren soll. Und er stellt fest: Alle Wände, Decken und Böden sind mit Lichtschaltern gepflastert. Wir müssen herausfinden, wie all diese Schalter mit Licht, Heizung und den Geräten in den Zimmern verbunden sind.

ZEIT ONLINE: Und was tun die genetischen Schalter in unserem Körper?

Birney: Nehmen Sie Zellen der Haarwurzel. Die aktivieren Gene, die für die farbigen Karotine zuständig sind. Leberzellen bilden dagegen zum Beispiel ein Enzym, das Alkohol abbaut...

ZEIT ONLINE: ... hoffentlich.

Genomforschung
Das menschliche Genom und damit jegliche vererbbaren Informationen sind in der Doppelhelix des DNA-Moleküls gespeichert.

Der Datensatz des Lebens ist online, doch was bedeutet das?  |  © Eureka

Birney: Ja. Wir haben immer gewusst, dass die Unterschiede zwischen Zellen verschiedener Organe und Gewebe durch die Stellung der genetischen Schalter bestimmt werden. Was wir nicht ahnten: Das Genom ist voll von ihnen, wir haben vier Millionen Schalter entdeckt, an denen Gene gesteuert werden. Man nennt sie Transkriptionsfaktor-Bindungsstellen – Kontaktpunkte zwischen DNA und Steuerproteinen.

ZEIT ONLINE: Und wie viele Zellarten haben sie angesehen?

Birney: Untersucht haben wir gut 100 dieser Steuerproteine in 147 Zellarten des Menschen, wir denken aber, das es etwa 2.000 dieser regulierenden Proteine und etwa 1.000 Zelltypen beim Menschen gibt.

ZEIT ONLINE: Als Fazit – wir kannten bislang über 20.000 Gene für Proteine. Nun fügen Sie Millionen von Schaltstellen hinzu, die in vielfältigen Kombinationen die Biologie einer Zelle steuern. All das kann auch noch von Mensch zu Mensch unterschiedlich sein. Und da wollen Sie uns glauben machen, der Mensch werde das irgendwann verstehen?

Birney: Wir werden das ganze 21. Jahrhundert brauchen. Die gute Nachricht ist: Man muss nicht alles verstanden haben, um Fortschritte für die Medizin zu erreichen. Zum Beispiel stecken viele Schalter in Stellen im Erbgut, die mit den großen Volkskrankheiten assoziiert sind. Viele dieser Leiden – Diabetes, Darmentzündungen und ähnliche Erkrankungen werden wohl durch Fehler in den Schaltern verursacht. Bei 400 Krankheiten vermuten wir solche Schaltereffekte.

ZEIT ONLINE: Bei vielen hochgradig genetisch bedingten Krankheiten – etwa Schizophrenie oder Autismus – bleibt ein Teil der Fälle stets unerklärt, weil man in den Eiweiß-kodierenden Genen keinen Fehler findet, der die Krankheit auslöst. Könnten Schalterdefekte die Ursache sein?

Birney: In manchen Fälle wird das so sein. Es gibt  bekannte Beispiele: Polydaktylie, wo betroffene Menschen sechs Finger haben, entsteht durch Mutationen in den Regulationsstellen für das Gen namens Sonic hedgehog , manche sind Millionen Basen von diesem Gen entfernt. Das dürfte auch bei Schizophrenie oder Autismus vorkommen. Ein Defekt im Schalter kann so fatal sein wie ein Defekt im Gen selbst.

ZEIT ONLINE: Das Encode-Projekt ist unglaublich komplex. Wie leitet man die Zusammenarbeit von 442 Forschern, in sechs Ländern, auf drei Kontinenten? Unter denen gibt es doch sicherlich mindestens einige große Egos?

Birney: Allerdings. Wissenschaftler sind Menschen. Encode ist ein riesiges Forschungskonsortium, dass von acht Hauptlaboren aus gesteuert wird. Die sind aber wiederum als Konsortium von Einzellabors organisiert. 26 Forschungsleiter koordinieren jeweils ein bestimmtes Gebiet. Es gibt da immer Leute mit starken Meinungen. Die braucht man aber auch – es ist ja nicht immer offensichtlich, wie man wissenschaftliche Fragen am besten angeht. Da fühlt man sich mittendrin schon mal sehr müde, aber am Ende bringt es eine Menge.

ZEIT ONLINE: Gab es keine Streits aus rein persönlichen Gründen – Eifersüchteleien, Eitelkeit?

Birney: Na, also bei Forschern gibt es keine ganz klare Grenze zwischen Auseinandersetzungen aus rein persönlichen oder wissenschaftlichen Gründen. Es gab zwar keine Prügeleien, auch nicht im übertragenen Sinn. Aber es gab schon Kollegen, die nicht besonders gut miteinander auskamen, und wenn die dann etwas wissenschaftlich ausdiskutieren sollen, ist das nicht ganz einfach.

ZEIT ONLINE: Und nun – was kommt als nächstes?

Birney: Encode wird weitere fünf Jahre gefördert. Aber ich schwöre Ihnen: In der nächsten Phase des Projekts werde ich nicht wieder die Flöhe hüten. Ich habe genug.

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Leserkommentare
  1. Es ist immer wieder schön zu sehen, dass wir doch zu mehr instande sind als uns gegenseitig auszulöschen.
    Es zeigt uns wo unsere Zukunft liegt, alles was schwer ist kann man nur noch zusammen schaffen.
    Immer weiter so!

    5 Leserempfehlungen
  2. ... auf all die Veröffentlichungen, die da noch kommen! Es ist schon überaus faszinierend, nach und nach herauszufinden, wie alles zusammenhängt.

    • _dany
    • 06. September 2012 12:09 Uhr

    ... ist nun:
    um wie viel % weicht das Schimpansen-Erbgut nun vom menschlichen Erbgut ab?
    Und wie wahrscheinlich ist es, dass diese Änderungen durch Zufall geschehen sind?

    Eine Leserempfehlung
    Reaktionen auf diesen Kommentar anzeigen

    "Zufall" in diesem Zusammenhang?

  3. "Zufall" in diesem Zusammenhang?

    • sparc
    • 06. September 2012 21:59 Uhr

    Auf seinem blog schreibt Herr Birney: "A conservative estimate of our expected coverage of exons + specific DNA:protein contacts gives us 18%, easily further justified (given our sampling) to 20%" und "We use the bigger number because it brings home the impact of this work to a much wider audience. But we are in fact using an accurate, well-defined figure when we say that 80% of the genome has specific biological activity." Dabei wurde "funktional" wenig strickt definiert, z.B. wird die Bindung eines Faktors an ein DNA-Fragment als Hinweis auf Funktionalität gewertet. Ob dabei die neben den spezifischen Bindungseigenschaften jedem DNA-bindenden Protein grundsätzlich innewohnende unspezifischen Bindungseigenschaften hinreichend berücksichtigt wurden, bleibt unklar. Die "dark matter transcripts" wurden von anderen Arbeitsgruppen als methodenbedingte Artefakte kritisiert und experimentell zumindest deutlich in Frage gestellt. Daneben spricht gegen Funktionen der Mehrheit von Junk-DNAs die Tatsache, dass ein Säugetier nicht mehr als 30.000 Gene (funktionale DNA-Abschnitte) aufweisen kann, weil sich sonst schädliche Muationen in einem Maße in der Population anreichern würden, dass ein Überleben der Spezies nicht möglich wäre. Dies ist seit den 70er Jahren bekanntes Wissen, das aber leider im Zuge des Humangenomprojektes verloren ging. ENCODE bietet sicherlich interessante Daten, aber zumindest die Schlüsse bezüglich Junk-DNA erscheinen fragwürdig.

    • sparc
    • 06. September 2012 22:06 Uhr

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  • Schlagworte Genom | Autismus | DNA | Erbgut | Müll | Schizophrenie
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