Genetik Gebrauchsanweisung fürs Erbgut

Von Jana Schlütter 

Rund 99 Prozent der menschlichen DNA sind keine Gene. Haben sie dennoch eine Funktion? Und was für eine! In einem internationalen Großprojekt haben Hunderte von Forschern untersucht, wie sich das Erbgut selbst steuert.

In den DNA-Strängen steckt mehr, als Forscher früher vermutet haben. Foto: dpa
In den DNA-Strängen steckt mehr, als Forscher früher vermutet haben. Foto: dpa

Stuttgart - Vergleicht man die Erforschung des Erbguts mit der Erkundung einer Millionenstadt, so haben die Wissenschaftler vor elf Jahren ein Straßenverzeichnis in die Hand bekommen. Im Juni 2001 hatten zwei Forschergruppen das erste vollständige Erbgut eines Menschen präsentiert, eine lange Reihe, in der sich die Buchstaben A, C, G und T drei Milliarden Mal in verschiedenen Variationen wiederholen – gewissermaßen die Aufzählung aller Straßen der Stadt. Doch was fehlte, war ein Stadtplan, der anzeigt, wo sich die Straßen befinden, wie sie miteinander verbunden sind und wo die Ampeln stehen.

Dieser Stadtplan, also eine Art Gebrauchsanleitung für das menschliche Erbgut, soll nachgeliefert werden. 442 Wissenschaftler aus 32 Institutionen aus den USA, Großbritannien, Spanien, Singapur und Japan sind diesem Ziel nun in fünf Jahren Arbeit ein Stück näher gekommen. In 30 Studien, die heute zeitgleich in den Fachzeitschriften „Nature“, „Genome Biology“ und „Genome Research“ erscheinen und für jeden Forscher offen zugänglich sind, stellen sie eine erste Kartenskizze namens „Encode“ vor.

Zwar wissen die Forscher nicht, wie viele Details auf dieser Karte noch fehlen, trotzdem versuchen bereits einige von ihnen mit diesen Daten zu arbeiten. Sie untersuchen, wie der Körper mit seinem Erbgut umgeht: wann er welchen Teil davon nutzt, wie dadurch Krankheiten entstehen und was davon den Menschen zum Menschen macht. Einige dieser ersten Anwendungen der Encode-Daten erscheinen nun im Fachmagazin „Science“.

Die Genanalysen ließen viele Forscher ratlos zurück

Das Projekt Encode – oder die Enzyklopädie der DNA-Elemente – hat einen wahren Datenberg produziert: 15 Billionen Bytes, zusammengetragen aus 1647 Experimenten. Eines der Ergebnisse ist, dass mindestens 80 Prozent des Erbguts irgendeine Funktion hat – und nicht nur die ein bis zwei Prozent, die Gene genannt werden. Von dem insgesamt 1,84 Meter langen Erbgutfaden in jedem Zellkern hielt man lange nur knapp vier Zentimeter für interessant – die Stellen, an denen die Gene sitzen. In der Wissenschaft ist der große Rest der DNA auch Junk-DNA (englisch für: Müll-DNA) genannt worden, doch diese Bezeichnung ist offenbar falsch gewählt.

Nach der Entzifferung des Erbguts hatten sich die Wissenschaftler zunächst auf einige auffällige Regionen konzentriert, in denen Eiweiße hergestellt werden, die Bausteine des Lebens. Die Blaupausen für die Eiweißproduktion liefert das Erbgut: Es wird bei Bedarf in jeder Zelle des Körpers abgelesen und in ein Eiweißmolekül umgesetzt. Sind die Eiweiße fehlerhaft – etwa, weil es kleine Änderungen in der Blaupause gab – können die Zellen nicht richtig funktionieren und es kommt zu Krankheiten. Belege dafür gab es etliche: Viele klassische Erbleiden werden durch einzelne Veränderungen in den Genen verursacht.

Doch solche Erbleiden sind selten. Und die Suche nach den genetischen Ursachen der großen Volkskrankheiten erwies sich als ein Stochern im Nebel. Zwar fand man ab und an ein Gen, das zum Beispiel bei Herzkranken, Dementen oder Diabetikern öfter auftritt als beim Rest der Bevölkerung. Allerdings erhöhte es das Krankheitsrisiko immer nur um ein paar Prozentpunkte. Viele, die ein verändertes Gen in sich tragen, bleiben gesund.

Weil die Technik immer billiger wurde, mit der das Erbgut eines Menschen entziffert werden kann, kamen Studien auf den Markt, in denen das Erbgut großer Patientengruppen analysiert wurde. Diese Studien lieferten meist kryptische Ergebnisse: Das Erbgut war in fast 90 Prozent der Fälle an Stellen außerhalb der einschlägigen Gene verändert – also dort, wo es eigentlich egal sein sollte. Viele Forscher waren ratlos und interpretierten es entweder als einen Hinweis auf das nächstgelegene Gen oder legten solche Ergebnisse komplett beiseite.

Das Ablesen der Gene ist nur die unterste Ebene des Systems

Nun wird mit dem Projekt Encode das ganze Ausmaß des Irrtums deutlich. Denn die Arbeiter an den Werkbänken des Lebens sind nur die unterste Hierarchieebene. Über ihnen gibt es etliche weitere Leitungsebenen und Schaltzentralen, die ihnen sagen, ob sie in Nachtschichten schuften müssen oder Dauerurlaub nehmen können. Nicht immer sitzen diese Regulatoren direkt im Nebenzimmer. Meist geben sie ihre Anordnungen von einer Schaltzentrale aus per Ferngespräch weiter. Möglich wird das durch die dreidimensionale Faltung des Erbgutfadens in einem Chromosom. Über die Schlaufen werden Erbgutregionen zu Nachbarn, die eigentlich weit voneinander entfernt sind.

„Wir haben vier Millionen Schalter gefunden, wo sich ein Eiweiß an eine kurze Erbgutsequenz bindet und so Gene an- und ausschaltet“, sagt John Stamatoyannopoulos von der Universität von Washington in Seattle, der an den Studien beteiligt war. „Nur ein Bruchteil der Schalter ist für alle untersuchten Zelltypen zuständig, die meisten sind Spezialisten.“ Bei etlichen dieser Schalter konnten die Forscher bereits sagen, welche Gene sie steuern. Mit diesem Wissen könne man nun die Daten aus den großen Genomanalysen neu interpretieren. „Das Geld wurde nicht nutzlos ausgegeben“, sagt Stamatoyannopoulos.

Gleichzeitig ergaben die Untersuchungen des Encode-Teams, dass mindestens 75 Prozent der Erbgutsequenzen in die Verkehrssprache der Zelle, die RNA, übersetzt werden. Die meisten der RNA-Stränge sind jedoch keine Blaupausen für Eiweiße, sondern haben ebenfalls Regulationsfunktionen. Manche beinhalten die Instruktionen für die Schalter, andere verstehen die Forscher bislang noch gar nicht. Stamatoyannopoulos ist trotzdem optimistisch: „Das kriegen wir auch noch raus.“