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Lexikon der Biologie: Genomprojekt

Genomprojekt s, Sammelbezeichnung für Projekte, deren Ziel die Sequenzierung der Genome von Mensch, verschiedenen Modellorganismen, pathogenen Mikroorganismen, Nutzpflanzen und Nutztieren ist. Im Mittelpunkt steht das 1989 gestartete und von der Human Genome Organization (HUGO) koordinierte Human Genome Project (HGP) zur Sequenzierung des ca. 3 Milliarden Basenpaare (bp) großen menschlichen Genoms. In dem vorwiegend mit öffentlichen Mitteln finanzierten Projekt wurde zunächst eine physikalische Karte der einzelnen Chromosomen (Chromosomenkarte, Genkartierung) mit genetischen Markern erstellt, was bis 1998 vor allem unter Verwendung sog. sequence tagged sites mit einer durchschnittlichen Auflösung von 100.000 bp gelang. Bestehende Lücken konnten mit Hilfe überlappender Klone (Klonkarten) auf Basis von YACs (künstliches Hefechromosom) und Cosmiden geschlossen werden. So waren die im folgenden sequenzierten DNA-Abschnitte oder Gene leicht zu lokalisieren. Privatwirtschaftliche Unternehmen, die sich im Verlauf des Projekts einschalteten, wählten in der Regel die shotgun-Sequenzierung, wobei nach dem Zufallsprinzip gewonnene und klonierte DNA-Fragmente sequenziert und erst später durch Vergleich überlappender Sequenzen zusammengesetzt werden. Um das Bearbeiten nichtcodierender DNA-Bereiche, die über 90% des menschlichen Genoms ausmachen, zu vermeiden, beschränkten sich einige Unternehmen auf die Sequenzierung von expressed sequence tags. Dank der starken Konkurrenz zwischen dem öffentlichen HGP und privaten Firmen, der Entwicklung effizienterer Methoden der Genkartierung und Sequenzierung sowie der enormen Leistungssteigerung in der Bioinformatik dürfte der ursprünglich für 2005 angepeilte Abschluß des Projekts weit früher erreicht werden. Mitte 2000 waren bereits etwa 90% des menschlichen Erbguts, von den Chromosomen 22 und 21 mehr als 97%, sequenziert. Auch die Sequenzierung des Genoms anderer Organismen wurde und wird, entweder in eigenen Projekten oder im Rahmen anderer Projekte, vorangetrieben. 1995 wurde mit dem Bakterium Haemophilus influenzae (Haemophilus) das erste Genom eines Lebewesens komplett sequenziert. Bis dahin waren lediglich die Sequenzen der Genome einiger Viren und Organellen verfügbar ( vgl. Tab. 1 ). 1996 war das Genom des ersten eukaryotischen Organismus, der Bierhefe Saccharomyces cerevisiae (Saccharomyces), sequenziert, und Ende 1998 lag mit dem Genom von Caenorhabditis elegans das erste komplett sequenzierte Erbgut eines vielzelligen Organismus vor. Die erste Sequenzierung einer Höheren Pflanze, von Arabidopsis thaliana (Acker-Schmalwand; Arabidopsis-Genom-Projekt), steht kurz vor dem Abschluß. Inzwischen sind aus nahezu jeder Organismengruppe Vertreter vollständig ( vgl. Tab. 2 ) oder in weiten Teilen sequenziert; Genomprojekte von Pflanzen (u.a. Mais, Reis) und Wirbeltieren (u.a. Fugufisch, Zebrafisch, Maus, Ratte, Schwein, Rind, Schaf) werden intensiv vorangetrieben. Die Sequenzierung kompletter Genome und die Identifizierung von Genen (Annotierung) von Organismen, die wissenschaftlich, medizinisch oder wirtschaftlich interessant sind, sind heute fast zur Routine geworden. Sequenzdaten liefern für die Grundlagenforschung wesentliche Informationen vor allem zu Fragen der Evolution (z.B. werden Ereignisse wie die Genduplikation bei der Entstehung von Genfamilien oder der horizontale Gentransfer offengelegt) und Klassifikation der Organismen. Für die anwendungsorientierte Forschung ist es essentiell, den gefundenen Sequenzen Funktionen zuzuordnen und sie damit erst tatsächlich zu „entschlüsseln“. Dies geschieht vor allem in den noch sehr jungen Forschungsbereichen der funktionellen Genomik und der Proteomik, deren Basis die bereits abgeschlossenen Genomprojekte sind. Eine weitere Möglichkeit ist die Funktionsanalyse homologer Gene in Modellorganismen, z.B. mittels Gen-Knockout oder ENU-Mutagenese. Man verspricht sich von den gewonnenen Daten Ansatzpunkte für die Diagnose und Heilung von Erbkrankheiten (Gentherapie), für die Bekämpfung von Infektionskrankheiten (z.B. Entwicklung von Impfstoffen [aktive Immunisierung] gegen Krankheitserreger oder von Antibiotika gegen Bakterien, individuelle Anpassung von pharmakologischen Wirkstoffen zur Therapie) oder für die „Optimierung“ von Nutzpflanzen und Nutztieren. Von wesentlicher Bedeutung für die Genomprojekte ist die Auseinandersetzung mit dem Umgang der gewonnenen Daten vor allem im Hinblick auf ethische (Bioethik), rechtliche und soziale Fragestellungen, und um Mißbrauch – z.B. der genetischen Diagnose (Gentest) in den Bereichen Arbeitsmedizin und Versicherungsschutz – zu vermeiden. Auch die wirtschaftliche Nutzung der Sequenzdaten ist Gegenstand breiter Diskussion, wobei insbesondere das Absichern fragwürdiger Besitzansprüche durch Patentierung von Genen oder gar expressed sequence tags, nicht nur im Hinblick auf ethische Bedenken, sondern auch auf die Frage, ob die Patentierung weitere Forschung tatsächlich fördert oder aber blockiert, umstritten ist. Biochemie (Geschichte der), Chinese Human Genome Diversity Project, Genetik, Gentechnologie, Human Genome Diversity Project.

M.B.

Lit.: Bishop, J.E., Waldholz, M.: Landkarte der Gene. Das Genom-Projekt. München 1991. Stamatiadis-Smidt, H., zur Hausen, H. (Hrsg.): Das Genom-Puzzle – Forscher auf der Spur der Erbanlagen. Heidelberg 1998.

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