Von der DNA-Sequenzierung zur Sequenzierung des Lebens
Wer immer sich den Begriff Next-Generation-Sequencing (NGS) ausgedacht hat, hat die Benennung der Folgetechnologie nicht gerade leicht gemacht – oder wie sollte man die nächste Next-Generation-Sequencing-Technologie bezeichnen? Dieses Gebiet sei weiterhin von einer sehr raschen Entwicklung geprägt, sagt Wei Chen, Leiter der Genomik-Plattform am Berlin Institute for Medical Systems Biology (BIMSB) des MDC. Allerdings waren in den vergangenen zwei Jahren die wichtigsten Änderungen bei der Sequenzierung seiner Ansicht nach eher wirtschaftlicher als technischer Art. Für die Suche nach einem Namen bleibt also noch etwas Zeit.
Heute haben laut Wei Chen aufgrund der rapide sinkenden Kosten viel mehr Forschungsgruppen Zugang zu genomweiten Studien, und so steigt auch die Zahl der Fragestellungen und Themen, für die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die zentrale Forschungsinfrastruktur nutzen. Zu den Themen zählen etwa die Gen-Variationen bei Individuen oder bei kranken Gewebearten wie Tumoren – sehr wichtig, um innerhalb einer Spezies den Blick auf die Einzelperson zu fokussieren, und ein entscheidender Schritt hin zu einer „personalisierten Medizin.“ Genomweite Assoziationsstudien (GWAS) dienen heute dazu, subtile neue Verbindungen zwischen erblichen Variationen aufzudecken, die Wahrscheinlichkeit zu erkennen, mit der ein Individuum eine bestimmte Krankheit entwickelt, und wahrscheinliche Reaktionen auf bestimmte Behandlungsansätze vorherzusagen.
Sequenzierungsprojekte bringen immer neue Mechanismen zutage, die schweren Erkrankungen zugrunde liegen. 2014 analysierten Sebastian Fröhler und weitere Mitglieder der Forschungsgruppe von Wei Chen zusammen mit der Gruppe um Joachim Will in der Kinderkardiologie der Charité Mitglieder einer Familie, in der zwei Kinder am so genannten Langes-QT-Syndrom erkrankt waren. Diese seltene Erbkrankheit geht mit Herzrhythmusstörungen sowie einer Reihe kognitiver und körperlicher Störungen einher und kann plötzlich zum Tod führen. Ein Screening der Gene, die bekanntermaßen an diesem Syndrom beteiligt sind, hatte keine der typischen Mutationen ans Licht gebracht. Die BIMSB-Gruppe analysierte dann auf der Suche nach einem anderen, möglicherweise beteiligten Molekül mithilfe des Whole-Exome Sequencing sämtliche Protein-kodierenden Bereiche des Genoms. Sie entdeckten schließlich eine neue Mutation auf einem Gen namens CACNA1C, das für einen Kalziumkanal kodiert. Infolgedessen waren eine genauere Diagnose und neue Behandlungswege möglich.
Durch die Verfahren zur Tiefensequenzierung können die Wissenschaftler zudem ganze Transkriptome viel genauer in den Blick nehmen. So entdeckten sie eine große Bandbreite von RNA-Molekülen, die von Zellen produziert wurden, die weit über die Protein-kodierenden Messenger-RNAs hinausgehen. Mithilfe der Forschungsinfrastruktur ließen sich Populationen von microRNAs beschreiben, die bei der Embryonalentwicklung und anderen Vorgängen eine wichtige Rolle für die Lenkung des Informationsflusses von Genen zu Proteinen spielen. Die dort entwickelten Methoden lieferten auch Erkenntnisse zu vielen anderen Arten von Molekülen, etwa lange, nichtkodierende RNAs (LncRNAs), deren Funktion noch nicht geklärt ist.
Darüber hinaus entstehen aus der Verbindung von Sequenzierung und biochemischen Verfahren neue, leistungsfähige Ansätze zur genaueren Untersuchung der epigenetischen Prozesse, die mit den Abläufen grundlegender biologischer Vorgänge und pathologischer Veränderungen einhergehen. Zum Beispiel ist bei den meisten Stammzellen die Ausdifferenzierung in einzelne Zelltypen von spezifischen Veränderungen begleitet, die nun sequenziert werden können. Dies gilt ebenso für Gewebe, die von verschiedenen pathologischen Veränderungen betroffen sind.
An bestimmte Sequenzen können sich chemische Marker wie Methylgruppen anlagern, die dann oft den Aktivierungsstatus nahe gelegener Gene ändern. Dies gilt auch für mit den Sequenzen assoziierte Proteine wie Histone. Diese Änderungen lassen sich im gesamten Genom nachweisen. Das gelingt entweder mit chemischen Verfahren zur Ermittlung methylierter DNA-Sequenzen oder mit Antikörpern, die auf bestimmte Veränderungen an Histonen reagieren und an denen sich dann mittels Pulldown-Assay die nahe gelegenen Sequenzen analysieren lassen. Die letztgenannte Methode wird in einem bundesweiten Megaprojekt, dem German Epigenome Consortium, angewendet, mit dem die Epigenome gesunder und kranker menschlicher Zellen entschlüsselt werden sollen.
Dank solcher Innovationen sind aus der Sequenzierung von DNA und RNA Werkzeuge geworden, die nun der Erforschung neuer biologischer Zusammenhänge bei Menschen und anderen Lebewesen dienen. In naher Zukunft werden sicher noch viele weitere Anwendungsmöglichkeiten entstehen, sagt Wei Chen. In Verbindung mit sinkenden Kosten haben Wissenschaftler damit immens viele neue Werkzeuge, um neue und grundlegende gesundheitsrelevante Aspekte der biologischen Fragestellungen zu ergründen, mit denen die Forschung sich seit vielen Jahren befasst.
