Genom: Definition, Überblick, Klinik

Das Genom ermöglicht erst das Leben des gesamten Planeten. Lange Zeit war es ein großes Mysterium, das kaum zu entschlüsseln war, doch in den letzten Jahrzehnten gelang es der Forschung immer mehr, den Hintergrund aufzudecken. Was genau ist also das Genom? Wie sieht das menschliche Genom aus und wie unterscheidet es sich von anderen Lebewesen? Das und mehr ist Thema dieses Artikels.

Genom – Definition

Das Genom beschreibt die Gesamtheit aller Gene in einer Zelle oder einem Virus und ist auch unter der Bezeichnung Erbgut bekannt. Es umfasst alle im einfachen (haploiden) Chromosomensatz enthaltenen Gene, die in einem Chromosom oder in der Nukleinsäure (DNA oder RNA) enthalten sind. Gene sind die vererbbaren Informationen einer Zelle, die Aufschluss über den Aufbau und die Funktionsweise eines Organismus bereitstellen.

Genom – Grundlagen des Aufbaus

Das Genom ist also die Gesamtheit der Gene einer Zelle. Doch was sind Gene genau? Ein Gen beschreibt die Grundeinheit der Erbinformation. Es ist der Teil der DNA (Desoxyribonukleinsäure), der wichtige Informationen verschlüsselt, meistens für den Aufbau eines Proteins. Jedes Gen ist durch eine spezifische Basensequenz definiert und liegt physikalisch gesehen auf einem Chromosom (Genlocus). Die Basen, die in der DNA vorkommen sind Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) und Cytosin (C). In RNAs (Ribonukleinsäuren) ersetzt Uracil (U) Thymin. Drei von diesen Basen codieren für eine Aminosäure, man spricht deshalb auch von einem Triplett.

Im Rahmen der Proteinbiosynthese lesen zelluläre Strukturen die Tripletts ab und bauen daraus anschließend ein funktionsfähiges Protein.

Im menschlichen Körper liegt in Körperzellen stets ein diploider Chromosomensatz vor. Streng genommen beherbergt jede Zelle also zwei Genome, ein mütterliches und ein väterliches. Welche Gene von wem stammen, lässt sich jedoch nicht herausfinden. Keimzellen, also Spermien und Eizellen, besitzen einen haploiden Chromosomensatz, damit sie sich für die Fortpflanzung vereinigen können.

Genom – Organisation

Das menschliche Genom setzt sich aus dem Kerngenom und dem mitochondrialem Genom zusammen. Dabei unterscheidet man zusätzlich zwischen codierenden und nicht-codierenden Abschnitten.

Aus codierende Sequenzen (Exons) entstehen durch den Prozess der Genexpression Proteine, was bei nicht-codierenden Sequenzen (Introns) nicht der Fall ist. Sie übernehmen eher wichtige Aufgaben in der Genregulierung, bestimmen also welche Gene wie stark aktiv sind. Zusätzlich finden sich Pseudogene im menschlichen Genom, die durch Mutationen ihre Funktion verloren haben und somit nicht mehr abgelesen werden.

Kerngenom

Zehn Prozent des Kerngenoms sind die Gene und die mit ihnen assoziierten Sequenzen. Davon codieren drei Prozent für Proteine, Introns eingeschlossen, und RNA. Von diesen drei Prozent entfällt ein Anteil von einem Prozent auf die Kodierung für Exons. Einfach gesagt, bedeutet es, dass lediglich ein Prozent des Genoms direkt die Informationen für Proteine enthält.

Die restlichen 90 Prozent des Kerngenoms sind keine Gene, sondern nur Abfolgen von Basen (Sequenzen). Tatsächlich ist bis heute die Funktion von etwa der Hälfte der DNA-Sequenzen nicht geklärt. Von den 90 Prozent sind 45 Prozent Wiederholungssequenzen (repetitive DNA-Elemente). 24 Prozent der 90 Prozent sind Introns, nicht-codierende Sequenzen.

Die repetitiven Elemente teilen sich zum Einen in “tandem repeats”, einfache Wiederholungssequenzen, auf. Dazu zählen folgende:

• Makrosatelliten-DNA / Satelliten-DNA: Sequenzwiederholungen bis zu 18.000 Nukleotiden
• Minisatelliten-DNA: Sequenzwiederholungen von drei bis 100 Nukleotiden.
• Mikrosatelliten-DNA: Sequenzwiederholungen von zwei bis sechs Nukleotiden

Zum Anderen zählen ehemals mobile DNA-Elemente in die Wiederholungssequenzen rein. Ursprünglich haben Viren Genabschnitte in das menschliche Genom übertragen, die eigenständig den Ort innerhalb des Genoms wechselt konnten. Durch die Evolution ging diese Fähigkeit beim Menschen verloren, bei Bakterien ist sie aber noch immer im Rahmen von beispielsweise Transposons vorhanden.

Mitochondriales Genom

Neben der klassischen Lokalisation der DNA im Zellkern (Karyom) findet sich genetisches Material in den Mitochondrien der Zellen. Grund dafür ist die Endosymbiontentheorie.

Das mitochondriale Genom unterscheidet sich allerdings vom Karyom. Es ist ringförmig und besteht aus etwa 16.500 Basenpaaren. Für die Strukturgene codieren über 90 Prozent der mtDNA (mitochondriale DNA).

• 22 Gene für Transfer-RNAs (tRNAs)
• 13 Gene für Proteine, beziehungsweise mRNAs: Sie codiert für circa fünfzehn Prozent der Proteine, die das Mitochondrium selbst benötigt. Darunter fallen etwa die mitochondrialen Enzymsysteme oder die mitochondriale mRNA.
• 2 Gene für ribosomale RNA (rRNA)

Organisation bei Prokaryoten

Zwischen Eukaryoten und Prokaryoten gibt es Unterschiede im Genom. Es liegt hier als geschlossenes Molekül vor, kürzere DNA-Moleküle werden als Plasmide bezeichnet. Sie können zusätzlich vorliegen und unabhängig von den eigentlichen DNA kopiert und vermehrt werden. Außerdem ist es über Konjugation möglich, sie an andere Prokaryonten weiterzugeben. Auf ihnen sind nur wenige Gene gespeichert, beispielsweise aber die gefährlichen Resistenzen gegen Antibiotika.

Genom – Größen und Sequenzierung

Die Genomgröße beschreibt im Allgemeinen die Menge an DNA, die im Genom vorhanden ist, bei Eukaryoten auf den haploiden Chromosomensatz bezogen. Diese Größe wird auch C-Wert genannt. Die Menge der DNA wird mittels Anzahl der Basenpaare (bp) oder die Masse der DNA in Pikogramm (pg) angegeben. Ein Pikogramm entspricht dabei ungefähr einer Milliarde Basenpaare.

Mit einer Anzahl von etwa 3,2 Milliarden Basenpaaren ist das menschliche Genom unfassbar riesig. Es enthält 23.000 Gene. Das entspricht einer Menge von etwa zwei Metern DNA in jedem Zellkern bei einer diploiden Zelle. Doch ein Zusammenhang der Größe mit der Komplexität des Organismus ist nicht festzustellen. Beispielsweise haben Amöben, einfache Eukaryoten und Urfarne je etwa eine Billion Basenpaare. Das ganze ist als C-Wert-Paradoxon bekannt.

Sequenzierung

2003 gelang es, das menschliche Genom nach über zehn Jahren Forschung im Rahmen des Human Genome Projects zu 93 Prozent zu entschlüsseln (sequenzieren). Am 31. März 2022 gelang die erste komplette Sequenzierung. Dabei ist aufgefallen, dass das Genom zweier Menschen zu 99,5 Prozent identisch ist. Die Variabilität des geringen Rests ist allerdings sehr ausschlaggebend für das individuelle Risiko für diverse Krankheiten. Die weitere Erforschung ist essentiell um Ursachen und damit Behandlungsmöglichkeiten für genetische Erkrankungen und den Einfluss der Genetik im Allgemeinen auf die Gesundheit zu verstehen.

Im Rahmen der Sequenzierung wird die genaue Reihenfolge der Basen erforscht. Dafür wurde die DNA-Sequenzierung nach Sanger benutzt. Durch das riesige Projekt gelang es auch, die Methoden zu verbessern und zu modernisieren. Außerdem legte das Projekt nach Ende durch die Freigabe der Daten den Grundstein für die Veröffentlichung biomedizinischer Erkenntnisse.

Genome editing

Die Möglichkeiten von biochemischen Labormethoden schreiten immer weiter fort. So ist es mittlerweile möglich, das Genom lebender Organismen gezielt zu verändern. Diese zielgerichtete Steuerung unterscheidet die Genom-Editierung von der klassischen Gentechnik.

Durch den Einsatz von Endonukleasen können an einer oder mehrere Stellen Gene ausgeschaltet werden. Das ist möglich durch gewollte Mutationen oder dem Entfernen (Deletion, Gen-Knockout) oder Einfügen (Gen-Knockin, Insertion) von DNA-Sequenzen. Das Verfahren findet Anwendung in der Grundlagenforschung, Biotechnologie, zum Beispiel zur Veränderung von Nutzpflanzen, und in der Medizin. Das vorwiegende Werkzeug für diese Methode ist CRISPR/Cas.