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Sequenzierung

Genom-Analyse in einer Stunde

01.12.2008
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Sequenzierung

Genom-Analyse in einer Stunde

Von Christina Hohmann

 

Die DNA-Sequenzierung macht rasante Fortschritte. Zeit- und Kostenaufwand sinken so dramatisch, dass in Zukunft jeder, der will, sein Erbgut inklusive Mutationen entziffern lassen kann.

 

Als das erste menschliche Genom sequenziert wurde, steckte die Sequenziertechnik noch in den Kinderschuhen. Die Basenabfolge des Erbguts zu entschlüsseln, war eine sehr langwierige und schwierige Aufgabe: An fünf großen Forschungszentren arbeiteten 150 Mitarbeiter sieben Jahre lang daran, das erste Genom zu entziffern. Im Jahr 2001 wurde die Sequenz das erste Mal veröffentlicht und auch ins Internet gestellt - und das gleich zweifach. Das Humane Genom Projekt publizierte seine Ergebnisse zeitgleich mit der US-amerikanischen Firma Celera Genomics, die sich ebenfalls an diese Aufgabe gewagt hatte. Die Kosten waren damals noch immens hoch: Das Humane Genom Projekt kostete etwa drei Milliarden US-Dollar.

 

Seitdem hat sich viel getan. Die Kosten und der Zeitaufwand für eine vollständige Sequenzierung sind dramatisch gesunken. Vor zwei Jahren kostete die Entzifferung des Erbguts noch eine Million US-Dollar, heute ist sie »schon« für 100.000 US-Dollar zu haben.

 

Einigen Experten zufolge könnte der Preis in den nächsten sechs Monaten sogar auf unter 10.000 US-Dollar pro Genom sinken. Ein US-amerikanisches Start-up-Unternehmen kündigte bereits im Oktober an, den Preis sogar auf 5000 US-Dollar drücken zu wollen, schreibt der »Spiegel«. Ab nächstem Frühjahr will die Firma Complete Genomics die Genome von Kunden für diesen Preis vollständig entziffern. Damit liegt das Unternehmen gut im Rennen um den sogenannten Archon X Prize for Genomics. Die X-Prize-Stiftung hat demjenigen, der als erstes hundert menschliche Genom in zehn Tagen sequenziert, 10 Millionen US-Dollar Preisgeld versprochen. Dabei darf die Sequenzierung eines Genoms nicht mehr als 10.000 US-Dollar kosten.

 

Der enorme Preissturz bereitet den Weg zum persönlichen Genom. Das eigene Erbgut entziffern zu lassen war bislang wegen der hohen Kosten etwas sehr Elitäres. Craig Venter, der Gründer von Celera Genomics, ließ im vergangenen Jahr als erster Mensch sein eigenes Genom entziffern. James Watson, der die DNA-Doppelhelixstruktur entdeckte, folgte Anfang 2008 seinem Beispiel. In Zukunft könnte die Genomanalyse für breite Bevölkerungsteile erschwinglich werden.

 

Das persönliche Genom

 

Der Preissturz macht auch Projekte wie das »Personal Genome Project« (PGP) möglich. Dieses vom Genetiker George Church von der Harvard-Universität initiierte Projekt hat zum Ziel, die Genome von 100.000 Menschen zu ermitteln und in einer Datenbank zu veröffentlichen. Zehn Freiwillige haben ihre Gene schon auslesen lassen. Hierzu zählen neben Church selbst auch der Psychologe Stephen Pinker und die Internetpionierin Esther Dyson. Die ersten zehn Freiwilligen veröffentlichten ihre Genome, zumindest den codierenden Teil, im Oktober auf der Website www.personalgenomes.org, wo sie für alle, Wissenschaftler und Laien, zugänglich sind. Die PGP-Probanden gehen aber noch einen Schritt weiter als Venter und Watson: Zusätzlich zu ihrer Basenabfolge stellen sie nämlich auch Fotos, ihre gesamte Krankengeschichte mit Allergien und Medikation und weitere Charakteristika wie Essensvorlieben und Fernsehgewohnheiten online.

 

Ziel des Personal Genome Projects ist, die medizinische Forschung zu beschleunigen und phänotypische Merkmale mit Genen in Verbindung zu bringen. Und ein Fortschritt ist hier dringend nötig. Bislang konnten laut PGP-Forschern erst 1300 von den 20.000 bis 25.000 Genen des menschlichen Erbguts einem bestimmten Merkmal zugeordnet werden.

 

Die Veröffentlichung der Gendaten mitsamt der Krankenakte könnte aber auch Risiken für die Probanden bergen wie etwa Diskriminierung und Schwierigkeiten mit der Krankenversicherung. »Wir wissen noch nicht, welche Konsequenzen es hat, sein Genom zu veröffentlichen«, sagt der Initiator des Projekts selbst. »Aber es ist einen Versuch wert.«

 

Auch andere Projekte zielen darauf ab, die feinen interindividuellen Unterschiede im Erbgut aufzudecken. Ein Konsortium aus chinesischen, US-amerikanischen und europäischen Forschern hat sich vorgenommen, die Genome von rund 1000 Menschen zu sequenzieren und im Detail miteinander zu vergleichen. Die DNA-Spender des »1000-Genome-Projekts«  (www.1000genomes.org) sollen aus verschiedenen Volksgruppen stammen, unter anderem von den Yoruba in Nigeria, den Massai in Kenia, von Japanern in Tokio, Chinesen in Denver und Italienern in der Toskana.

 

Ziel des Projekts ist es, alle relevanten Variationen im Erbgut zu kartieren. 99,5 Prozent des Genoms stimmen bei Menschen überein. Unterschiede bestehen zumeist in Form von vertauschten Einzelbasen, den sogenannten Single Nucleotide Polymorphisms (SNP). Kurz nach Veröffentlichung des menschlichen Genoms hatte sich ein internationales Forscherkonsortium darangemacht, diese SNPs zu identifizieren und in eine Karte einzutragen. Auf dieser Karte (HapMap), die bereits Millionen SNPs enthält, baut jetzt das 1000-Genome-Projekt auf. Doch die HapMap beinhaltet nur Varianten, die relativ häufig vorkommen (mehr als 5 Prozent der Bevölkerung). Das 1000-Genome-Projekt will auch seltenere SNPs und größere Veränderungen wie Deletionen oder Duplikationen aufspüren.

 

Ebenfalls eine Karte, aber eine krebsspezifische, plant der US-amerikanische Wissenschaftler Eric Lander: Innerhalb von zehn Jahren will er alle krebsrelevanten Genvarianten für alle 230 Krebsarten erkunden und in eine Erbgutkartei, den sogenannten Cancer Genome Atlas, eintragen.

 

Alle diese Projekte können die medizinische Fortschritt entscheidend voranbringen. Schon jetzt werden die Erkenntnisse aus der HapMap verwendet, um Risikogene für bestimmte Erkrankungen zu identifizieren. Hierzu führen Forscher sogenannte genomweite Assoziationsstudien durch: Sie vergleichen die SNPs von Kranken mit denen von Gesunden. Wenn ein SNP bei Patienten signifikant häufiger vorkommt als in der Normalbevölkerung, ist dieser Genombereich mit der Erkrankung »assoziiert«. Durch Sequenzierung des Bereichs lässt sich das Krankheitsgen dann aufspüren. Mithilfe der neuen, verbesserten Karte ließen sich die genetischen Ursachen von Erkrankungen noch besser erkennen.

 

Zudem könnten die neuen Erkenntnisse auch genutzt werden, um vor Therapiebeginn das Ansprechen zu bestimmen und somit Behandlungen zu individualisieren. Wenn die Preise für Genomsequenzierungen weiter fallen, könnte in Zukunft jeder sein Erbgut entziffern lassen und die Ergebnisse mit seinem Arzt besprechen. Experten sehen schon das Genomzeitalter anbrechen. Der PGP-Initiator George Church glaubt, dass die Möglichkeit, Tausende und später Millionen von Genomen zu sequenzieren, nicht nur die Medizin, sondern die ganze Gesellschaft verändern könnte. »Wir gingen von einer kompletter Unkenntnis von Computern in den 1970er-Jahren zu einer vollständigen Abhängigkeit von Computern heute über«, sagt Church. Eine ähnliche Entwicklung hält er auch für die DNA-Sequenzierung für möglich.

 

Die nächste Generation

 

Diese enormen Fortschritte machen neue Sequenzierungstechniken möglich, das sogenannte »next generation sequencing«. 30 Jahre lang war die Didesoxymethode nach Frederick Sanger das einzige verwendete Verfahren, um Gene und später auch ganze Genome zu entziffern.

 

Erst im Jahr 2005 deutete sich an, was den Sequenzierungsmarkt revolutionieren sollte, schreibt Stephen C. Schuster vom Center for Comparative Genomics and Bioinformatics an der Pennsylvania State University im Fachjournal »Nature Methods« (Doi: 10.1038/nmeth1156). Die Firma 454 Life Sciences stellte ihre Sequencing-by-Synthesis-Technologie vor. Die Methode (auch Pyrosequenzierung genannt) beobachtet die DNA-Polymerase gewissermaßen bei der Arbeit. Ein Einzelstrang dient dem Enzym als Matrize. An diesem synthetisiert es den zweiten DNA-Strang neu und hängt dabei ein Nucleotid nach dem anderen an. Der Einbau eines Nucleotids wird durch ein System von Enzymen, wozu auch die Luciferase zählt, in ein Lichtsignal übersetzt, das von einem Detektor erfasst wird. Durch kontrollierte Zugabe der einzelnen Nucleotide kann ermittelt werden, welches wann eingebaut wird. Daraus lässt sich die Sequenz während der Synthese ermitteln.

 

Vorteil der Methode ist, dass sie gut automatisierbar ist und ein sehr viel kleineres Reaktionsvolumen benötigt als die Sanger-Methode. Dadurch lässt sie sich in vielen Hunderttausend Ansätzen parallel durchführen. Bereits die erste Version des 454 Life Sciences-Sequenzierungsapparats hatte einen Durchsatz, der dem von 50 Sanger-Instrumenten entsprach, schreibt Schuster. Dabei lagen die Kosten bei einem Sechstel.

 

Mittlerweile sind drei DNA-Sequenzierungs-Systeme der zweiten Generation auf dem Markt: Der GS FLX Genome-Analyzer von 454, der IG-Sequencer der Firma Illumina (Solexa) und das Solid-System von Applied Biosystems. Anfangs waren Genforscher weltweit skeptisch. Die neuen Verfahren wurden hauptsächlich eingesetzt, um schon bekannte Bakteriengenome zu resequenzieren oder große Sanger-Projekte zu unterstützen. Doch inzwischen werden die neuen Techniken auch für ehrgeizigere Projekte verwendet. Mit einem einzigen Lauf des 454-Instruments wurde eine 13 Mb-Sequenz aus dem Genom eines 28.000 Jahre alten Mammuts ermittelt. Erst vergangenen Monat erschienen im Fachjournal »Nature« zwei Publikationen, in denen die Genome von zwei Menschen veröffentlicht wurden. David Bentley und sein Team entzifferten das Erbgut eines anonymen Mannes aus dem Volk der Yoruba aus Nigeria mithilfe des Illumina GA-Sequencers. Die Forscher benötigten nur acht Wochen für diese Aufgabe. In einem zweiten Paper stellten Jun Wang und seine Kollegen das Genom eines Han-Chinesen vor. Auch die chinesischen Forscher hatten ein Illumina-Instrument verwendet.

 

Während die zweite Generation der Sequenzierungstechnik große Erfolge feiert, steht die dritte Generation schon vor der Tür. In den nächsten zwei Jahren könnten Instrumente der Firma VisiGen und Helicos auf den Markt kommen, die auf Einzel-Molekül-Basis sequenzieren. Damit würden Reaktionsvolumen, Kosten und Zeitaufwand nochmals dramatisch sinken. Das Unternehmen Pacific Biosciences hat angekündigt, dass seine Instrumente in fünf Jahren in der Lage sein werden, das gesamte menschliche Genom in weniger als einer Stunde auslesen zu können. Damit rückt die Genomanalyse für jedermann in greifbare Nähe.

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