Die Entschlüsselung des menschlichen Erbguts

VON UNSEREM KORRESPONDENTEN IN GROSSBRITANNIEN

„DAS erste wissenschaftliche Mammutprojekt der Biologie“, das sechste der „sieben modernen Weltwunder“ — so hat man das Genomprojekt, ein internationales Unterfangen zur Entschlüsselung unseres Erbguts, bezeichnet. Was ist überhaupt das menschliche Genom? Es ist die Summe der Erbanlagen eines Menschen, die jeweils zur Hälfte auf seinen Vater und auf seine Mutter zurückgehen, ihn aber zu etwas Einzigartigem machen.

Die Genetiker Sir Walter Bodmer und Robin McKie sprechen in Verbindung mit dem Genomprojekt von dem „Buch vom Menschen“. Darin zu lesen ist allerdings keine leichte Aufgabe. „Auf eine bedeutendere Serie von Lehrbüchern wird man kaum jemals stoßen“, behauptet James Watson, einer der Wissenschaftler, die den Aufbau des in den Mittelpunkt gerückten DNS-Moleküls entdeckt haben. „Wenn die in unseren DNS-Molekülen verschlüsselten genetischen Botschaften erst einmal gedeutet sind“, sagt er, „werden alle unsere Fragen zum chemischen Unterbau der menschlichen Existenz beantwortet.“

Wie bei jedem großen und kostenaufwendigen Forschungsprojekt, so gibt es auch bei der Entschlüsselung des Genoms Befürworter und Skeptiker. „Das Genomprojekt könnte auf das Eindringen in den letzten Winkel unserer Privatsphäre hinauslaufen“, gibt Wissenschaftsautor Joel Davis zu bedenken, „oder aber es erweist sich als weites Tor, das zu Regeneration, Gesundheit und Heilung führt.“ Was auch immer damit erreicht wird, das Projekt „wird gravierende Veränderungen auf dem Gebiet der Genetik nach sich ziehen“ und „möglicherweise das Wesen des Homo sapiens völlig umgestalten“, so glaubt er. 1989 äußerte sich George Cahill, stellvertretender Direktor des Howard-Hughes-Instituts für Medizin, optimistisch. „Wir werden dadurch alles erfahren“, meinte er. „Ob Evolution oder Krankheiten — bei allem wird man auf das zurückgreifen, was auf diesem faszinierenden Band, DNS genannt, aufgezeichnet ist.“

Eine gigantische Aufgabe

Im Jahr 1988 bildete eine internationale Gruppe von Wissenschaftlern eine Organisation zur Erforschung des menschlichen Genoms, genannt HUGO (Human Genome Organization), um die Arbeit von Genomforschern in den am Projekt beteiligten Ländern zu koordinieren. Bei einem Budget von rund 3,5 Milliarden Dollar führt HUGO die Forschungsergebnisse einer Datenbank zu. Obwohl Computer derzeit täglich Tausende von Bausteinen des Genoms entziffern, ist es derart komplex, daß man damit rechnet, die Dechiffrierung erst irgendwann im 21. Jahrhundert abgeschlossen zu haben. Würde man das Genom in Buchform veröffentlichen, so die Zeitschrift Scientific American, dann benötigte man zum Durchlesen „ein Drittel seines Lebens“.

Nach einigem Hin und Her entschied man sich für folgende Strategie: Erstes Ziel ist die Kartierung des Genoms, um die 100 000 Gene lokalisieren zu können. Als nächstes will man durch einen Prozeß, der als Sequenzierung des Genoms bezeichnet wird, die Reihenfolge der Bausteine bestimmen, aus denen die einzelnen Gene bestehen. Das letzte Ziel ist die Sequenzierung der übrigen 95 bis 98 Prozent der menschlichen Erbsubstanz.

Wird damit alles, was es über das menschliche Leben zu wissen gibt, offen daliegen? Enthält das Genom die bedeutendste „Serie von Lehrbüchern“, auf die man je gestoßen ist? Wird das Genomprojekt die Heilung aller menschlichen Erkrankungen möglich machen? In den anschließenden Artikeln werden diese Fragen untersucht.

Was uns zu dem macht, was wir sind

BEVOR das Genomprojekt anlief, war bereits viel über unsere Erbanlagen bekannt. Ausdrücke wie „Gene“, „Chromosomen“ und „DNS“ erscheinen häufig in Medienberichten, da die Presse jede neue Entdeckung auf dem Gebiet der Humangenetik publik macht. Das Genomprojekt will auf dieser Grundlage aufbauen und den gesamten genetischen Kode des Menschen entziffern.

Damit man besser versteht, wie Wissenschaftler dabei vorgehen, empfiehlt es sich, zunächst den Kasten „Der menschliche Bauplan“ auf Seite 6 zu lesen.

Lokalisierung der Gene

Wie im vorhergehenden Artikel erwähnt, besteht das erste Ziel des Genomprojekts darin, herauszufinden, wo die Gene auf den Chromosomen liegen. Ein Genfahnder verglich das damit, „nach einer durchgebrannten Glühbirne in einem Haus ohne Hausnummer in einer namenlosen Straße einer unbekannten Stadt in einem fremden Land zu suchen“. In der Zeitschrift Time wurde behauptet, die Aufgabe sei „so schwierig, wie eine Telefonnummer zu suchen, ohne die Adresse und den Nachnamen zu kennen“. Wie begegnen Wissenschaftler dieser Herausforderung?

Forscher befassen sich mit Familien, um Gene zu lokalisieren, die für bekannte erbliche Merkmale und Veranlagungen verantwortlich sind. Die Gene, denen die Farbenblindheit, die Bluterkrankheit und die Gaumenspalte zuzuschreiben sind, hat man beispielsweise auf Arealen eines Chromosoms aufgespürt. Die sogenannten Genkopplungskarten, die erstellt werden, sind allerdings sehr ungenau, denn sie können die Lage eines Gens nur in einem Bereich von etwa fünf Millionen Basenpaaren angeben.

Um größere Genauigkeit zu gewährleisten, will man eine physikalische Karte erstellen. Bei einer Methode werden vervielfältigte DNS-Abschnitte von unterschiedlicher Größe nach besonderen Markersequenzen untersucht. Je mehr Teilstücke man hat, um so schwieriger wird es allerdings, diese wieder zu sortieren. Würde man jedes DNS-Fragment mit einem Buch in einem deutlich gekennzeichneten Bibliotheksregal vergleichen, dann wäre das Lokalisieren eines Gens etwa so, als würde man „ein Zitat in einem einzigen Buch suchen, statt die gesamte Bibliothek durchstöbern zu müssen“, erläuterte die Zeitschrift New Scientist. Diese physikalischen Karten begrenzen die Suche auf einen Bereich von 500 000 Basenpaaren. Ende 1993 präsentierte ein Team von Wissenschaftlern, angeführt von Dr. Daniel Cohen vom Zentrum zur Erforschung des menschlichen Polymorphismus in Paris, die „erste komplette, wenn auch noch ungenaue Karte des menschlichen Genoms“, wie es die Time ausdrückte.

Das nächste Ziel des Projekts besteht darin, die genaue Reihenfolge der chemischen Bausteine jedes unserer 100 000 Gene und der übrigen Teile des Genoms aufzulisten. Doch während die Wissenschaftler im Ablesen der DNS Fortschritte machen, stellen sie gleichzeitig fest, daß das Genom komplexer ist, als sie dachten.

Entzifferung des Genoms

Die Gene machen nur 2 bis 5 Prozent des menschlichen Genoms aus. Der Rest wird oft „Abfall-DNS“ genannt. Einige Forscher dachten früher, die vermeintlich unbrauchbaren Sequenzen seien im Verlauf der Evolution versehentlich entstanden. Heute ist man der Ansicht, daß ein Teil dieser Regionen, die keine Gene aufweisen, den Aufbau der DNS reguliert und Anweisungen enthält, die die Chromosomen brauchen, um sich bei der Zellteilung vervielfältigen zu können.

Man interessiert sich schon seit langem dafür, wovon es abhängt, ob ein Gen „an- oder abgeschaltet“ wird. Der New Scientist berichtet, daß wir womöglich 10 000 Gene haben, die für die Produktion von Proteinen, Transkriptionsfaktoren genannt, kodieren. Mehrere davon verketten sich offensichtlich und passen dann in eine Lücke in der DNS wie ein Schlüssel in ein Schloß. Wenn sie ihren Platz gefunden haben, aktivieren sie entweder das in der Nähe befindliche Gen, oder sie unterdrücken seine Funktion.

Daneben gibt es sogenannte Stottergene mit Wiederholungssequenzen von Teilen des chemischen Kodes. Eins davon weist normalerweise zwischen 11 und 34 Wiederholungen des CAG-Tripletts auf — eine Abfolge von drei Nukleotiden, die den Schlüssel für eine bestimmte Aminosäure darstellt. 37 oder mehr Wiederholungen bewirken eine zum körperlichen und geistigen Verfall führende Hirnerkrankung, den erblichen Veitstanz (Chorea Huntington).

Man beachte auch, wie sich die Veränderung eines Buchstabens in einem Gen auswirkt. Ein verkehrter Buchstabe in der aus 146 Buchstaben bestehenden Sequenz eines der beiden Hämoglobinbausteine verursacht Sichelzellenanämie. Der Körper hat einen Korrekturmechanismus, der bei der Zellteilung die Vollständigkeit der DNS überprüft. Ein Fehler in diesem System soll Darmkrebs hervorrufen können. Viele andere Leiden, wie zum Beispiel Diabetes und Herzerkrankungen, sind nicht einfach die Folge eines einzelnen defekten Gens, sondern rühren von dem Fehlverhalten mehrerer Gene her.

Umschreiben des Genoms

Ärzte erwarten vom Genomprojekt Informationen, die ihnen helfen, Erkrankungen zu diagnostizieren und zu behandeln. Man hat bereits Tests entwickelt, durch die sich Anomalien in bestimmten Gensequenzen feststellen lassen. Manch einer befürchtet allerdings, daß skrupellose Menschen mit Hilfe von Gentests eine Politik der Eugenik betreiben werden. Zur Zeit ist die Mehrheit gegen die Keimbahntherapie, bei der die Gene in Samen- und Eizellen verändert werden. Selbst Paare, die eine In-vitro-Fertilisation zur Zeugung eines genetisch normalen Embryos ins Auge fassen, müssen sich der Entscheidung stellen, was mit den Embryos geschehen soll, die nicht für eine Einpflanzung ausgewählt werden. Besorgte Menschen äußern auch Bedenken wegen der Folgen, die das Feststellen eines offensichtlichen Gendefekts für das ungeborene Leben nach sich ziehen könnte. Viele befürchten, die genetische Kartierung Erwachsener könne darauf Einfluß nehmen, ob sie einen Arbeitsplatz erhalten, befördert werden oder versichert werden. Hinzu kommt noch die problematische Frage des Einsatzes von Gentechnik.

„Nicht damit zufrieden, im Buch des Lebens lesen zu können, möchte man auch darin schreiben“, kommentiert die Zeitschrift The Economist. Eine Möglichkeit dazu bestünde im Einsatz von Retroviren. Ein Virus kann man sich als Gruppierung von Genen in einer chemischen Hülle vorstellen. Ausgehend von einem Virus, das Menschen befällt, entfernt man die Gene, die das Virus braucht, um sich zu reproduzieren, und ersetzt sie durch eine gesunde Version der fehlerhaften Gene des Patienten. In den Körper injiziert, dringt das Virus in Zielzellen ein und ersetzt die defekten Gene durch die gesunden, die es in sich trägt.

Gestützt auf die Entdeckung eines Gens, das vor Hautkrebs schützt, berichteten Wissenschaftler unlängst über eine einfache Therapie. Da nur jeder zwanzigste dieses Gen besitzt, strebt man an, es in eine Creme aufzunehmen, die das Gen in die Hautzellen einschleust. Dort löst es die Produktion eines Enzyms aus, durch das nach Ansicht von Ärzten krebsfördernde Gifte, die den Körper angreifen, aufgespalten werden.

So erstaunlich diese Verfahren auch sind, begrenzen doch strenge Kontrollen den Einsatz der Gentechnik, während Wissenschaftler gegen die Ängste der Öffentlichkeit vor den möglichen Konsequenzen ankämpfen.

Das menschliche Genom gibt noch allerhand Rätsel auf. Eigentlich „gibt es kein menschliches Genom schlechthin“, sagt der Genetiker Christopher Wills. „Es existieren fünf Milliarden davon, praktisch eins pro Mensch auf unserem Planeten.“ Das Genom sagt viel über den Menschen aus. Verrät es aber alles?

Verrät das Genom alles?

In der Vorstellung einiger sind die Gene kleine Diktatoren, die unser Verhalten bestimmen. In letzter Zeit haben Presseberichte die Entdeckung von Genen bekanntgegeben, von denen man glaubt, sie seien für Schizophrenie, Alkoholismus oder sogar für Homosexualität verantwortlich. Viele Wissenschaftler mahnen bei solchen Verknüpfungen zur Vorsicht. Christopher Wills schreibt beispielsweise, daß Genvarianten in manchen Fällen lediglich „eine Veranlagung des Trägers für Alkoholismus bewirken“. Der Londoner Times zufolge vertritt der Molekulargenetiker Dean Hamer den Standpunkt, die menschliche Sexualität sei viel zu komplex, als daß sie von einem einzelnen Gen festgelegt werden könnte. In dem Jahrbuch 1994 Britannica Book of the Year heißt es dazu: „Man hat indessen kein spezielles Gen für homosexuelle Veranlagung identifiziert, und die bis hierhin geleistete Arbeit muß erst noch von anderen bestätigt werden.“ Die Zeitschrift Scientific American schreibt außerdem: „Verhaltensmerkmale sind außerordentlich schwer zu definieren, und praktisch jede vermeintliche genetische Ursache kann ebensogut als Umwelteinfluß erklärt werden.“

Interessanterweise äußerte der Genetiker Dr. David Suzuki in der BBC-Fernsehserie Cracking the Code die Ansicht, daß „unsere persönlichen Lebensbedingungen, unsere Religion und sogar unser Geschlecht Einfluß darauf haben, was unsere Gene bei uns bewirken. ... Wie sich die Gene auf uns auswirken, hängt von den Verhältnissen ab, in denen wir leben.“ Deshalb seine Warnung: „Wenn in der Zeitung steht, Wissenschaftler hätten ein Gen für Alkoholismus, Kriminalität, Intelligenz oder was auch immer entdeckt, dann sind solche Meldungen mit Vorsicht zu genießen. Um sagen zu können, wie sich ein bestimmtes Gen auf eine Person auswirkt, müßte man auch alles über ihre Umgebung wissen, und selbst das wäre womöglich noch nicht genug.“

Wie zutreffend, denn noch ein weiterer Faktor wirkt sich darauf aus, wie wir sind. In dem folgenden Artikel wird erläutert, worin er besteht und wie er uns zum Guten beeinflussen kann.

[Kasten/Diagramm auf Seite 6, 7]

(Genaue Textanordnung in der gedruckten Ausgabe)

Der menschliche Bauplan

• Unser Körper besteht aus rund 100 Billionen Zellen, von denen die meisten den kompletten menschlichen Bauplan enthalten. (Die roten Blutkörperchen haben keinen Zellkern und enthalten daher keinen Bauplan.)

• Die Zellen sind komplexe Gebilde, vergleichbar mit Städten, die Fabriken, Energiedepots und ganz bestimmte hinein- und herausführende Verkehrswege haben. Für die Steuerung ist der Zellkern zuständig.

• Der Zellkern, Sitz des Bauplans, kann mit einem Rathaus verglichen werden, wo in der Regel die Baupläne für die im Umkreis errichteten Gebäude aufbewahrt werden. Bei einem Bauprojekt muß jemand dasein, der Materialien, Werkzeuge und Maschinen beschafft und die Bauarbeiten koordiniert.

• Die Chromosomen enthalten den Bauplan. Diese 23 Paare dicht gewundener DNS-Moleküle wären, wenn man sie entwirren und aneinanderreihen würde, 8 000mal so lang wie die Strecke zum Mond und wieder zurück.

• Die DNS besteht aus Strängen, die durch Paare chemischer Einzelbausteine, die sogenannten Basenpaare, miteinander verbunden sind, ähnlich den Sprossen einer Leiter — in diesem Fall einer spiralförmig gewundenen Leiter. Die Base Adenin (A) ist stets mit Thymin (T) verknüpft und Cytosin (C) mit Guanin (G). Trennt man die leiterähnliche DNS in der Mitte, so, als würde man einen Reißverschluß öffnen, eröffnet sich der genetische Kode, der mit den vier Buchstaben A, C, G und T geschrieben ist.

• Die Ribosomen heften sich wie mobile Fabriken an, um die verschlüsselte Botschaft der RNS (Ribonukleinsäure) zu lesen. Dabei verknüpfen sie verschiedene Bausteine, Aminosäuren genannt, zu den Proteinen, aus denen der Mensch besteht.

• Die Gene sind Abschnitte der DNS, die als Vorlagen für die Bildung der Proteine, der Bausteine des Körpers, dienen. Die Gene bedingen die Veranlagung für gewisse Krankheiten. Damit die Gene gelesen werden können, öffnen Enzyme als chemische Werkzeuge einen DNS-Teilabschnitt wie einen Reißverschluß. Andere Enzyme lesen dann das Gen ab und bilden gleichzeitig eine komplementäre Serie von Basen mit einer Geschwindigkeit von 25 in der Sekunde.

[Kasten/Bild auf Seite 8]

Das genetische Profil

DNS wird aus menschlichem Gewebe extrahiert und in Bruchstücke gespalten. Diese trägt man auf ein Gel auf, leitet Strom hindurch und überträgt danach die entstandenen Banden (Streifen) auf einen dünnen Nylonfilm. Anschließend wird eine radioaktive Substanz, eine Gensonde, hinzugefügt und eine Aufnahme mit einem Röntgenfilm gemacht. Das Ergebnis ist ein DNS-Fingerabdruck.

Unsere Zukunft — Wie wird sie aussehen?

DIE Erforschung des menschlichen Genoms offenbart bereits viel über die potentiellen Erkrankungen, an denen jemand vielleicht eines Tages leidet. Wie steht es aber mit der Behandlung und der Vorbeugung solcher Krankheiten?

Je mehr man über das Genom von Pflanzen, Tieren und Menschen lernt, so die Londoner Times, desto größer sind die Möglichkeiten, Medikamente und Therapien zu entwickeln. Der Zeitschrift Industry Week zufolge dämpfen Wissenschaftler den Optimismus allerdings etwas, denn dieser Prozeß „könnte der Diagnose 20 bis 50 Jahre hinterherhinken“. Durch diese Situation wird man, wie Charles Cantor, Professor für Biochemie, sagte, „regelrecht der Hoffnung beraubt“. Doch das muß nicht so sein.

Die Bibel verheißt klar und deutlich das Ende aller Krankheiten. „[Gott] wird jede Träne von ihren Augen abwischen, und der Tod wird nicht mehr sein, noch wird Trauer, noch Geschrei, noch Schmerz mehr sein“, heißt es in Offenbarung 21:4. Werden die Genetiker dies durch eine Art „genetische Mitschöpfung“ erreichen, wie sich die Zeitschrift The Christian Century ausdrückte? Die Erfüllung der biblischen Verheißungen hängt weder vom Abschluß des Genomprojekts noch von einer „genetischen Mitschöpfung“, noch von einer allmählichen Verbesserung der Umweltbedingungen ab. Vielmehr wird sie einzig und allein durch Gottes wirksame Kraft, seinen heiligen Geist, bewirkt.