Genforschung: Junk-DNA verrät Geheimnisse über tödliche Krankheiten

Als der Mensch begann, sein Erbgut zu lesen, erging es ihm ähnlich wie einem Kleinkind, das im ersten Bilderbuch blättert: Ohne ein Verständnis für die Schrift erschloss sich nur ein kleiner Teil. Wie ein Kind, das sich zunächst nur die Zeichnungen anschaut, beschäftigen sich die Wissenschaftler mit den Genen. Dem unverständlichen Rest standen sie zunächst verwundert gegenüber.

Doch die etwa 22.000 Gene - also die Bereiche des Erbguts, auf denen die direkten Baupläne für Proteine verzeichnet sind - machen nur einen winzigen Teil des menschlichen Genoms aus. Rund zwei Prozent sind es, kreuz und quer im Erbgut verteilt. Zieht man noch einige Regionen ab, die sozusagen technische Details zur Gen-Arbeit liefern, bleibt ein erstaunlich großer Anteil scheinbar funktionsloser DNA-Wüsten.

Über Jahre hielt sich der Begriff "Junk-DNA" - Erbgut-Müll -, in Ermangelung sinnvoller Erklärungen. Spätestens jetzt ist die Bezeichnung überholt: Die Forscher haben sich mit der Schrift im Buch des Lebens vertraut gemacht. Es war ein langwieriger Prozess.

Steuerung der Gen-Aktivität

Etwa 80 Prozent des Genoms erfüllen eine biochemischen Aufgabe, berichtet das "Encode"-Projekt-Konsortium, ein internationaler Forscherverbund, in mehr als zwei Dutzend Aufsätzen in mehreren Fachzeitschriften, darunter "Nature" und "Science". Eine wesentliche Funktion des vermeintlichen Erbgut-Mülls: die Steuerung der Aktivität der Gene.

Die Arbeiten geben genauere Antworten darauf, wie es möglich ist, dass im menschlichen Körper so unterschiedliche Zelltypen arbeiten wie der Makrophage, der fremde Mikroorganismen verschlingt, oder die mit langen Fortsätzen ausgestattete Nervenzelle, die Signale weiterleitet. Der Unterschied liegt nicht in der genetischen Information selbst - die sich in den Zellen gleicht -, sondern in deren Regulierung. Der neue Genom-Atlas kann außerdem helfen, vererbte Krankheiten und die Entwicklung von Krebs besser zu verstehen, meinen die Wissenschaftler.

Zuvor unbekannte DNA-Schalter

Sie erstellten 1640 umfassende Datensätze zu Genom und Genaktivität von rund 150 verschiedenen menschlichen Zelltypen. Das wurde in diesem Maßstab erst durch seit wenigen Jahren verfügbare, schnelle DNA-Analysetechniken möglich. Dabei entdeckten die Forscher zahlreiche vorher unbekannte Schalter, die die Aktivität von Genen beeinflussen. Doch anders als ein Lichtschalter knipsen sie nicht einfach nur bestimmte Funktionen an oder aus. Vielmehr steuern sie, wann welche Mengen eines Proteins gebildet werden. Die Proteine wiederum bilden das Grundgerüst von Zellen und sind als Enzyme sozusagen ihre Arbeitskräfte.

Die DNA-Schalter arbeiten im Zusammenspiel mit speziellen Proteinen, die sich an sie binden und dann wiederum eines oder mehrere Gene beeinflussen. Die Forscher entdeckten rund 2,9 Millionen solcher Andockstellen. Pro Zelltyp waren aber nur gut 200.000 davon aktiv. Dadurch ergibt sich ein spezifisches Muster für die vielen spezialisierten Zellen im menschlichen Körper, bei denen eben auch nur ein Teil der Gene aktiv ist und nicht alle gleichzeitig.

Ein überraschend großer Teil der DNA kann zudem als Blaupause für sogenannte RNA dienen. Sie dient - abgesehen von der Boten-RNA, die von Genen abgelesenen wird - nicht als Vorlage für Proteine. Sie kann aber in Zellen zahlreiche Funktionen erfüllen, etwa die Aktivität eines Gens drosseln oder antreiben. Rund 75 Prozent des Genoms könnten zumindest zu bestimmten Zeitpunkten in bestimmten Zelltypen in RNA umgeschrieben werden, heißt es in "Nature".

Folgenreiche Veränderungen in der Genwüste

Auch auf die Erforschung verschiedener Krankheiten wird der Genom-Atlas einen Einfluss haben. In sogenannten Genome-wide Association Studies (GWAS) suchen Forscher nach Veränderungen einzelner Basen der DNA, die bei Erkrankten häufiger auftreten als bei Gesunden, beispielsweise bei Multipler Sklerose oder Krebs. Bisher haben sich die Wissenschaftler dabei vor allem auf Mutationen konzentriert, die in einem Gen oder einer bekannten regulierenden Region liegen.

Das war zu kurz gedacht, zeigt sich jetzt. Als Beispiel nennt ein Forscherteam in "Nature" acht Punktmutationen, die mit Entzündungskrankheiten in Verbindung gebracht werden, aber in einer angeblichen Genwüste liegen - also einem Bereich, der als funktionslos galt. Nun stellt sich heraus, dass einige dieser Veränderungen an Schaltern liegen, die in speziellen Immunzellen aktiv sind.

Hinweise zum Verständnis von Krankheiten

Darin steckt eine gute Nachricht: Bisher bereits durchgeführte GWAS enthalten wahrscheinlich deutlich mehr Erkenntnisse als gedacht, was das Verständnis verschiedener Krankheiten voranbringen könnte.

Der Weisheit letzter Schluss ist der jetzt vorgestellte Atlas natürlich nicht. Eric Green vom Human Genome Research Institut der USA vergleicht das bisher erlangte Verständnis mit den körnigen Bildern, die frühe Satelliten zur Erde geschickt haben. Aber immerhin haben die Forscher nun eine gute Basis, um das Buch des Lebens zu verstehen - und endlich den Müll über Bord geworfen.