Wiederholungen sind der Schlüssel zum Verständnis des menschlichen Genoms

Es war wie eine Karte von New York, auf der ganz Manhattan fehlt. Das menschliche Referenzgenom hat endlich alle weißen Flecken aufgefüllt, und alles zu sehen, was wir beim ersten Mal verpasst haben, ist sowohl repetitiv als auch aufschlussreich.

„Wir stellen fest, dass es da draußen eine Menge menschlicher Variationen gibt“, sagt die Genetikerin Rachel O’Neill, Direktorin des Institute for Systems Genomics der UConn. Und in einer kontraintuitiven Wendung des Schicksals kommt die Variation zu einem großen Teil von den Wiederholungen.

Eine beträchtliche Menge an menschlichem genetischem Material entpuppt sich als lange, sich wiederholende Abschnitte, die immer wieder vorkommen. Obwohl jeder Mensch einige Wiederholungen hat, hat nicht jeder die gleiche Anzahl von ihnen. Und der Unterschied in der Anzahl der Wiederholungen ist dort, wo die meisten menschlichen genetischen Variationen gefunden werden.

Diese Erkenntnis – dass die Wiederholungen wichtig sind – ist eine von vielen bedeutenden Erkenntnissen aus dem Telomere-2-Telomere (T2T)-Projekt, einer weltumspannenden Zusammenarbeit von Institutionen, die die fehlenden Abschnitte der ursprünglichen menschlichen Genomanordnung ergänzten. O’Neill ist ein leitender Ermittler dieses Projekts und Autor von vier der sechs T2T-Papiere, die in veröffentlicht werden Wissenschaft am 31. März.

„Es bedurfte der Erfindung neuer Methoden der DNA-Sequenzierung und Computeranalyse und des Engagements eines bemerkenswerten Teams von Wissenschaftlern, um das Ablesen der 8 % des menschlichen Genoms abzuschließen, die zu komplex und in ihrer Struktur zu repetitiv waren, um aufgelöst zu werden 20 Jahren. Das Warten hat sich gelohnt – es wird eine Fülle überraschender architektonischer Merkmale enthüllt, die große Konsequenzen für das Verständnis der menschlichen Evolution, Variation und biologischen Funktion haben“, sagt Francis Collins, Wissenschaftsberater des Weißen Hauses und ehemaliger Direktor der National Institutes of Die Gesundheit.

So erstaunlich es damals auch war, das ursprüngliche Human Genome Project ließ etwa 8 % des Genoms leer.

„Das entspricht einem ganzen Chromosom in der menschlichen DNA“, sagt O’Neill. Die letzten 8 % umfassen zahlreiche Gene und sich wiederholende Bereiche. Die meisten der neu hinzugefügten DNA-Sequenzen befanden sich in der Nähe der sich wiederholenden Telomere (lange, nachlaufende Enden jedes Chromosoms) und Zentromere (dichte mittlere Abschnitte jedes Chromosoms).

Die Leerzeichen waren ein Ergebnis der „Short-Read“-Technologie, die das Human Genome Project verwendete. Es war die einzige vor 20 Jahren verfügbare Technologie zur Genomkartierung, und sie konnte jeweils nur das Äquivalent einiger weniger Wörter des genetischen Codes lesen. Stellen Sie sich zum Beispiel vor, ein Abschnitt des Genoms bestünde aus dem Satz „Alle Arbeit und kein Spiel macht Jack zu einem langweiligen Jungen“, der neunmal hintereinander wiederholt wird. Die Short-Read-Technologie würde nur Teile davon enthüllen, wie „Alles funktioniert“, „Jack a“, „macht Jack“ und so weiter. Die Forscher setzten diese kurzen Abschnitte zusammen, um den Satz „Alle Arbeit und kein Spiel macht Jack zu einem langweiligen Jungen“ zu machen, aber sie konnten nicht wissen, dass er neunmal wiederholt wurde.

Das T2T-Projekt hatte jedoch bessere Werkzeuge. Die neue Long-Read-DNA-Technologie kann ganze Sätze, sogar Absätze, auf einmal lesen. So konnten die Forscher große Stücke oder sogar ganze Abschnitte von Wiederholungen sehen.

„Die Generierung einer wirklich lückenlosen Sequenz des menschlichen Genoms ist ein wichtiger Meilenstein. Wir hätten dies gerne vor 20 Jahren getan, aber die Technologie musste weiterentwickelt werden. Diese neue Referenz ist eine wirklich solide Grundlage ohne Risse, auf der wir verstehen können Humanbiologie. Es fehlen keine Teile!“ sagt Bob Waterston, ein Biologe an der University of Washington, der am ursprünglichen Human Genome Project gearbeitet hat.

Viele Nachwuchswissenschaftler und Trainees spielten eine zentrale Rolle im T2T-Projekt. An der UConn waren Savannah Hoyt, Gabrielle Hartley und Patrick Grady im Labor von Rachel O’Neill und Luke Wojenski im Labor von Leighton Core intensiv in die Arbeit involviert. Einer ihrer wichtigsten Beiträge war die Entwicklung eines Kompendiums der Wiederholungen im Genom. Sie fanden heraus, dass die sich wiederholenden Abschnitte mobile Elemente enthielten, das sind Abschnitte, die in der Lage sind, von einem Teil des Genoms zum anderen zu springen (das klassische Beispiel sind springende Gene, die zu Farbänderungen in Maiskörnern führen, z. B. von rot zu weiß); Viren; und neue Wiederholungen, die noch niemand zuvor identifiziert hatte, einschließlich einiger, die Gene tragen. Einige der Riesenwiederholungen mit 10, 20 oder 30 Kopien wiederholen sich Rücken an Rücken und enthalten Gene, die einen Großteil der menschlichen Vielfalt ausmachen könnten. Stellen Sie sich im Beispielsatz von vorhin vor, dass „Jack“ ein Gen ist. Eine Person könnte 5 Kopien davon haben. Ein anderer hat vielleicht 25.

Das T2T-Team erhielt einen ersten Einblick in vollständige Sequenzen für die zentralen Teile jedes menschlichen Chromosoms. Sie werden Zentromere genannt und verbinden die verschiedenen Arme jedes X-förmigen Chromosoms miteinander. O’Neills Team fand heraus, dass Zentromere bekannte mobile Elemente sowie neue Wiederholungen enthalten. Ein Großteil der DNA im Zentromer scheint wichtig zu sein, um die genetische Information einer Zelle über Generationen hinweg zu erhalten. Es ist bereits bekannt, dass Zentromere eine Rolle bei der DNA-Replikation spielen, wenn sich Zellen vermehren, und wenn sie ihre Position im Chromosom erheblich verschieben, können sie völlig neue Arten hervorbringen. Die vom T2T-Projekt konstruierten vollständigen, lückenlosen Zentromersequenzen werden ein viel differenzierteres Verständnis der menschlichen Zentromere und ihrer Funktion ermöglichen. Die nächsten Schritte in der humangenetischen Forschung können das vollständige T2T-Genom als Ausgangspunkt verwenden, um interessante Bereiche unserer DNA zu identifizieren.

„Die nächste Forschungsphase wird die Genome vieler verschiedener Menschen sequenzieren, um die menschliche Vielfalt, Krankheiten und unsere Beziehung zu unseren nächsten Verwandten, den anderen Primaten, vollständig zu erfassen“, sagt O’Neill.