Humangenomforschung

Die große Unbekannte

Aus ENCODE Project Consortium. An integrated encyclopedia of DNA elements in the human genome. Nature 2012, 489:57-74
Aus ENCODE Project Consortium. An integrated encyclopedia of DNA elements in the human genome. Nature 2012, 489:57-74

Nur zwei bis drei Prozent unseres Genoms enthielten nach der ersten Sequenzierung im Jahr 2000 erkennbare Gene und schienen funktionell von Bedeutung zu sein.

Auf der Suche nach Mechanismen, die viele Menschen resistent gegen Tuberkulose und lebensbedrohliche Malaria machen, haben wir die gesamten Genome von mehreren Tausend Patienten und gesunden Vergleichspersonen durchgemustert und statistisch eindeutige Unterschiede gefunden. Solche Untersuchungen sind inzwischen bei vielen Erkrankungen durchgeführt worden, insgesamt über 1300 Mal. Insgesamt lagen 88 Prozent aller gefundenen signifikanten Unterschiede zwischen Kranken und Gesunden in Bereichen des menschlichen Genoms, denen man zurzeit keine Funktion zuordnen kann.

In den vergangenen Jahren wurden in dem internationalen Konsortium Encyclopedia of DNA elements (ENCODE) Methoden zur Ermittlung bislang unbekannter genetischer Regulationsvorgänge entwickelt. Einige der komplexen Wechselwirkungen zwischen RNA-Molekülen, die nicht für Proteine kodieren, genomischer DNA und regulatorischen Proteinen wurden bereits aufgedeckt. Jedes Gen wird offenbar durch zahlreiche Regulationsvorgänge gesteuert, die bestimmen, zu welchem Zeitpunkt in der Entwicklung eines Organismus (Embryo, Fötus usw.) es abgelesen wird, in welchem Gewebe, in welchem Aktivierungs­zustand einer Zelle und wie koordiniert mit anderen Genen. Fehler in dieser hochkomplexen Gen-Regulation scheinen für die Entstehung der meisten Erkrankungen wie auch für Empfänglichkeit und Resistenz gegenüber Infektions­krankheiten von entscheidender Bedeutung zu sein.

Info-Box: Imputation

[aus Inhalten aus dem Jahresbericht BNI 2010/2011]
Bestimmung von Mutationen bei Ghanaern durch chemische Analyse (oben) sowie Imputation zusätzlicher Mutationen aus den dazu gehörenden Kopplungsgruppen (unten), hochgerechnet auf Grundlage aller Mutationen von 278 Mitgliedern des nigerianischen Yoruba-Stamms, deren Genome im „1000-Genome-Projekt“ beispielhaft für afrikanische Populationen sequenziert wurden.
(Grafik: Thorsten Thye)

Mutationen (genetische Varianten) können in mehreren Individuen gemeinsam, aneinander gekoppelt auftreten, wenn sie unweit voneinander auf demselben Chromosom liegen und nicht beim zufälligen Durchmischen unserer Chromosomenpaare – wir haben alle Chromosomen doppelt – bei der Bildung von Ei- bzw. Samenzellen getrennt wurden. Je näher zwei Mutationen beieinander liegen und je weniger Generationen seit ihrer zufälligen Entstehung vergangen sind, umso geringer ist i.d.R. die Wahrscheinlichkeit, dass sie voneinander getrennt wurden. In einer Population bestehen die Chromosomen also aus einer Kette unterschiedlich langer Blöcke zusammengehöriger Mutationen, sogenannter Kopplungsgruppen. Je jünger eine Mutation, umso größer ihre Kopplungsgruppe – bei einer ganz neuen („de novo“) Mutation das gesamte Chromosom. Wenn die Genome vieler Individuen einer Population sequenziert sind, kann man recht zuverlässig die Kopplungsgruppen in dieser Population bestimmen und bei Individuen, bei denen nicht die gesamte Genomsequenz bekannt ist, die Kopplungsgruppe in der Umgebung einzelner Mutationen und damit die anderen Mutationen in der Umgebung hochrechnen – „imputieren“.

Malaria

Pädiatrische Station im Komfo Anokye Teaching Hospital in Kumasi, wo Kinder mit schwerer Malaria in die Studie aufgenommen wurden. (Fotografie: Mika Väisänen)
Pädiatrische Station im Komfo Anokye Teaching Hospital in Kumasi, wo Kinder mit schwerer Malaria in die Studie aufgenommen wurden. (Fotografie: Mika Väisänen)

Der Schutz der Sichelzell-Anlage vor Malaria gilt als klassisches Beispiel für den Einfluss von menschlichen Mutationen auf die Resistenz gegen Infektionen. Wir haben bei 1.400 Kindern mit schwerer, lebensbedrohlicher Malaria und 800 gesunden Kindern jeweils fast eine Million Mutationen analysiert und noch einmal ca. 5 Mio Mutationen durch „Imputation“ hochgerechnet. In zwei Regionen zeigten sich signifikante Unterschiede zwischen erkrankten und gesunden Kindern, die in weiteren 3.500 Kindern bestätigt wurden.

Die eine der beiden liegt in einem großen Intron des Gens „ATP2B4“, d.h. in einer DNA-Sequenz zwischen zwei Teilen des Gens. ATP2B4 kodiert für eine Kalzium-Pumpe, die unter anderem in der Wand von roten Blutkörperchen liegt und den Kalzium-Gehalt in Zellen reguliert. Die zweite Region liegt ca. 6.000 Basen vor dem Gen „MARVELD3“; sie wurde durch Imputation (s. Info-Box) errechnet und anschließend durch chemische Analysen bestätigt. MARVELD3 kodiert für ein Protein, das den Raum zwischen den Zellen, die unsere Blutgefäße auskleiden, abdichtet. Man kann sich gut vorstellen, dass sowohl der Kalzium-Gehalt in den Wirtszellen der Malariaparasiten, als auch die Abdichtung unserer Gefäßwände den Verlauf der Malaria beeinflussen könnte. Unklar ist aber, wie Mutationen wirken sollen, die zwischen zwei Teilen eines Gens bzw. relativ weit vor einem Gen liegen. Es ist sehr wahrscheinlich, dass die gefundenen Mutationen bislang unbekannte Regulationsvorgänge beeinflussen.


Timmann et al., Nature 2012, 489:443-446

Christian Timmann, Thorsten Thye, Jennifer Evans, Jürgen May, Christa Ehmen, Jürgen Sievertsen, Birgit Muntau, Gerd Ruge, Wibke Loag, Michael Brendel, Kathrin Schuldt, Christian G. Meyer, Rolf Horstmann und Kooperationspartner (s. Publikation)

Tuberkulose

Beteiligte Institutionen: BNITM, Deutschland; University of Oxford, Nuffield Dept. of Medicine, UK; Leiden University Medical Center, Dept. Immunohematology and Blood Transfusion, Niederlande; University of Cambridge, Dept. of Me- dicine, UK; Medical Rese
Beteiligte Institutionen: BNITM, Deutschland; University of Oxford, Nuffield Dept. of Medicine, UK; Leiden University Medical Center, Dept. Immunohematology and Blood Transfusion, Niederlande; University of Cambridge, Dept. of Me- dicine, UK; Medical Research Council Unit, Banjul, Gambia; Samara Oblast Tuberculosis Dispensary, Samara, Russland; Kumasi Centre for Collaborative Research, Kumasi, Ghana; Universitas Padjadjaran, Bandung, Indonesien; Ghana Health Service, Accra, Ghana; University of Ghana, School of Public Health, Legon, Ghana.

Mit Hilfe der Imputation (s. Info-Box) haben wir in unserer genomweiten Assoziationsstudie eine weitere Region im menschlichen Genom gefunden, in der eine Mutation liegt, die vor Tuberkulose schützt. Leider liegt sie weit entfernt von einem bekannten Gen, so dass man nichts über die Art und Weise ableiten kann, wie sie denn vor Tuberk