Das menschliche Genom

Worum gehts?

Exemplarisch werden hier strukturelle Eigenschaften des menschlichen Genoms und ihre Bedeutung besprochen.

Das menschliche Genom…

  • setzt sich aus unterschiedlich strukturierten Abschnitten zusammen
  • enthält nur zum Teil Informationen, diese informationslose DNA wird auch als Junk-DNA (wertlose DNA) bezeichnet, was aus heutiger Sicht nicht mehr ganz zutreffend ist

Das Humangenomprojekt

  • im Oktober 1990 mit einem finanziellen Rahmen von 3 000 000 000 US-Dollar gestartet
  • etwa 6000 Krankheiten werden jeweils durch ein schadhaftes Gen hervorgerufen
  • bei Krankheiten, wie Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Diabetes oder Übergewicht, ist ein gewisser genetischer Einfluss nachweisbar
  • Wissenschaftler gehen aber davon aus, dass durch die Kenntnis des Humangenoms sich völlig neue Behandlungsmethoden und Möglichkeiten der Vorbeugung entwickeln lassen
  • die Sequenz des menschlichen Genoms hat eine Länge von 2,9 x 109 Basenpaare
    • das sind bei 3000 Buchstaben pro Seite eine Millionen Seiten Text
  • schätzungsweise 25.000 Gene, die für Proteine codieren, befinden sich auf der DNA
    • das ist nur etwa 1% der verbauten Nucleotide
  • von nur 50% der identifizierten Gene ist die Funktion bekannt

Weitere Erkenntnisse aus dem Humangenomprojekt

  • Die Gesamtzahl der Gene ist insgesamt viel geringer als erwartet.
  • Menschliche Gene erzeugen aufgrund alternativen Spleißens mehrere Proteine.
  • Mehr als 200 Gene haben keine evolutionären Verwandten in anderen mehrzelligen Organismen, jedoch Gegenstücke bei Bakterien. Dies lässt vermuten, dass sie Ergebnis eines horizontalen Gentransfers von Bakterien sind.
  • Die repetitiven DNA-Sequenzen sind eine Art „fossile Aufzeichnung“, die etwa 800 Millionen Jahre zurück in die Vergangenheit reicht.
  • Junk-DNA hat in Wahrheit eine wichtige Funktion.
  • Die Mutationsrate bei Männern ist doppelt so hoch wie bei Frauen. Männer bringen also die Mehrheit der Genmutationen in den Genpool ein.
  • Menschen sind genetisch zu 99,9% identisch.

Strukturelle Besonderheiten der DNA

Mäßig sich wiederholende Sequenzen (repetitive Sequenzen)

  • In Bereichen mit sich mäßig wiederholenden Sequenzen (mäßig repetitive Sequenzen) befinden sich sehr viele Gene für ribosomale RNA. Sie zählen damit zu den codierenden Genen, das heißt, sie enthalten eine Information.
  • Bei den nichtcodierenden repetitiven Elementen spricht man sogenannten LINEs (long interspersed nuclear elelments)
    • handelt es sich um Retroviren-ähnliche Elemente, die Gene enthalten, welche Genen von Retroviren ähneln
    • können sich selbst replizieren und an verschiedenen Stellen wieder einfügen
    • sind meistens defekt und somit nicht funktionsfähig
    • die Wanderung dieser Genabschnitte kann schwerwiegende Folgen haben, wenn sich beispielsweise ein solches Element in ein Gen einfügt und dadurch das Gen seine Funktion verliert
    • befinden sich in genarmen Bereichen des menschlichen Genoms, woraus sich ableiten lässt, dass es einen Mechanismus gibt, der einen unliebsamen Einbau verhindert

Hochrepetitive Sequenzen

  • befinden sich in genreichen Gebieten
  • bei den „short interspersed nuclear elements“ (SINEs) handelt es sich ebenfalls um Retroelemente
  • sind im Gegensatz zu den LINEs kürzer und reaktionsträger, was eine Störung der Genfunktion verhindert

Satelliten – DNA

Bei der Satelliten-DNA handelt es sich um Abschnitte im Genom von fünf bis zehn Basenpaaren, die aber auch sehr viel länger werden können und sich beispielsweise als 5er-Gruppe fortlaufend wiederholen. Das kann sich über Bereiche von bis zu 100.000 Basenpaaren erstrecken.

Minisatelliten (variable number tandem repeats, VNTRs)

  • natürliche Sequenzanomalien, die aus Tandemrepeats von 9 – 80 Basenpaaren bestehen
  • die Zahl der Wiederholung ist von Person zu Person unterschiedlich
  • sie können als Markierung genutzt werden, um beispielsweise Genkarten zu erstellen oder für das Identifizieren von Personen

Mikrosatelliten (Short Tandem Repeats, STRs)

  • sind kurze, nicht codierende DNA-Sequenzen, die im Genom oft wiederholt werden
  • Sequenz in einem Mikrosatelliten ist sehr einfach
  • bestehen aus zwei bis vier Nukleotiden und können 10- bis 100-mal wiederholt auftreten
  • enthalten Sequenzen, wie „…TAGTAGTAGTAGTAGTAG… oder …CACACACACA…“
  • das menschliche Genom enthält mindestens 650000 STRs
  • Mikrosatelliten-DNA kommt selten in Genen vor und wenn, hat das häufig schwerwiegende Konsequenzen, wie z.B. bei der Erbkrankheit Chorea Huntington
  • können zur Genanalyse verwendet werden, da die Anzahl der Wiederholungen sich bei verschiedenen Individuen unterscheidet und deswegen bei der enzymatischen Spaltung mit einem Restriktionsenzym DNA-Fragmente unterschiedlicher Länge hervorbringt

Exons und Introns – gestückelte Gene (Mosaikgene)

  • Exons sind DNA – Abschnitte, die für Proteine codieren.
  • Introns sind nichtcodierende Bereiche, die zwischen den Exons liegen.
  • Sie müssen nach der Transkription aus der mRNA herausgeschnitten (Spleißen) werden.
  • Die „Exons – Schnipsel“ werden anschließend „zusammengeklebt“.
  • Es entsteht die reife (mature) mRNA.
  • Sie kann den Zellkern verlasse

Die Introns bilden die größten Abschnitte innerhalb der Gene. Mit einem Anteil von 25% machen sie nur einen Teil der DNA aus, in dem keine Information für Proteine enthalten ist.

Zusammenfassung

  • Gene, die für ein Protein codieren, sind Abschnitte die als Funktionseinheit aufzufassen sind und aus Exon, Introns und Steuerelementen bestehen.
  • Es gibt Gene, die nicht für ein Protein codieren, aber die Information für andere Nucleinsäuren, wie Ribosomale RNA oder Transfer-RNA. enthalten.
  • Im Genom findet man verschiedene Formen von nichtcodierender DNA („Junk-DNA), deren Funktion nur zum Teil geklärt oder die völlig ohne Funktion ist.
  • Die nichtcodierende DNA ist für die Individualisierung von Personen von Bedeutung (DNA Fingerprinting, Vaterschaftsnachweis).