1. Oktober 1993 bis 30. September 1998 (GJ 1994-98)Kartierung und Sequenzierung des menschlichen Genoms
Genetische Kartierung
- Vollendung der 2- bis 5-cM-Karte bis 1995. (Die Ziele für die Auflösung der Karte bleiben unverändert.)
- Entwicklung einer Technologie für die schnelle Genotypisierung.
- Entwicklung von Markern, die leichter zu verwenden sind.
- Entwicklung neuer Kartierungstechnologien.
Physikalische Kartierung
- Vollendung einer STS-Karte (Sequence Tagged Site) des menschlichen Genoms mit einer Auflösung von 100 kb. (Die Ziele für die Auflösung der Karte bleiben unverändert.)
DNA-Sequenzierung
- Entwicklung effizienter Ansätze für die Sequenzierung von DNA-Regionen von einer bis mehreren Megabasen, die von hohem biologischen Interesse sind.
- Entwicklung von Technologien für die Hochdurchsatzsequenzierung mit Schwerpunkt auf der Systemintegration aller Schritte von der Template-Vorbereitung bis zur Datenanalyse.
- Aufbau einer Sequenzierungskapazität, die bis zum Ende des Zeitraums eine kollektive Sequenzierungsrate von 50 Mb pro Jahr ermöglicht. Diese Rate sollte dazu führen, daß bis zum Ende des GJ 1998 insgesamt 80 Mb DNA-Sequenz fertiggestellt sind.
Genidentifizierung
- Entwickeln Sie effiziente Methoden zur Identifizierung von Genen und zur Platzierung bekannter Gene auf physischen Karten oder sequenzierter DNA.
Technologieentwicklung
- Die Unterstützung innovativer technologischer Entwicklungen sowie die Verbesserung der derzeitigen Technologie für die DNA-Sequenzierung und die Erfüllung der Anforderungen des Humangenomprojekts als Ganzes wird erheblich ausgeweitet.
Modellorganismen
- Fertigstellung einer STS-Karte des Mausgenoms mit einer Auflösung von 300 kb.
- Fertigstellung der Sequenz der Genome von Escherichia coli und Saccharomyces cerevisiae bis 1998 oder früher.
- Fortführung der Sequenzierung der Genome von Caenorhabditis elegans und Drosophila melanogaster mit dem Ziel, die Sequenzierung von C. elegans bis 1998 nahezu abzuschließen.
- Sequenzierung ausgewählter Segmente der Maus-DNA Seite an Seite mit der entsprechenden menschlichen DNA in Bereichen von hohem biologischem Interesse.
Informatik
- Weiterer Aufbau, Entwicklung und Betrieb von Datenbanken und Datenbankwerkzeugen für den einfachen Zugang zu Daten, einschließlich wirksamer Werkzeuge und Standards für den Datenaustausch und Verbindungen zwischen Datenbanken.
- Konsolidierung, Verbreitung und Weiterentwicklung von effektiver Software für groß angelegte Genomprojekte.
- Weiterentwicklung von Werkzeugen für den Vergleich und die Interpretation von Genominformationen.
Ethische, rechtliche und soziale Auswirkungen (ELSI)
- Weiterentwicklung der Identifizierung und Definition von Problemen und Entwicklung politischer Optionen zu deren Lösung.
- Entwicklung und Verbreitung politischer Optionen in Bezug auf Gentests mit potenziell breitem Einsatz.
- Förderung einer größeren Akzeptanz der menschlichen genetischen Variation.
- Verbesserung und Ausweitung der öffentlichen und beruflichen Bildung, die für soziokulturelle und psychologische Fragen sensibel ist.
Ausbildung
- Weiterführung der Förderung der Ausbildung von Wissenschaftlern in interdisziplinären Wissenschaften im Zusammenhang mit der Genomforschung.
Technologietransfer
- Förderung und Verbesserung des Technologietransfers in und aus den Zentren der Genomforschung.
Outreach
- Zusammenarbeit mit denjenigen, die Vertriebszentren für Genommaterialien einrichten wollen.
- Weitergabe aller Informationen und Materialien innerhalb von 6 Monaten nach ihrer Entwicklung. Dies sollte durch die Einreichung von Informationen in öffentliche Datenbanken oder Repositorien oder beides geschehen, wo dies angebracht ist.
U.S. Human Genome Project Updates Goals
Unerwartete Fortschritte in der Genomforschung und ein ausgefeilteres Verständnis dafür, wie langfristige Ziele erreicht werden können, haben die Planer des Genomprojekts bei den NIH und dem DOE dazu veranlasst, ihre ursprünglichen 5-Jahres-Ziele zu aktualisieren. Der neue 5-Jahres-Plan erschien in der Ausgabe vom 1. Oktober in Science in einem Artikel, der von Francis Collins, Direktor des National Center for Human Genome Research, und David Galas, dem früheren Leiter des DOE Human Genome Program und stellvertretenden Direktor des DOE Office of Health and Environmental Research, mitverfasst wurde.
Der neue Plan erweitert die Forschungsziele in bereits bestehenden Kategorien und fügt spezifische neue Ziele für die Entwicklung von Technologien zur Identifizierung und Kartierung von Genen hinzu. Er sieht auch Outreach-Programme zur Verteilung von Genom-Materialien an die wissenschaftliche Gemeinschaft vor. Obwohl der Plan die nächsten fünf Jahre des Projekts (bis September 1998) abdeckt, wurden die Ziele so formuliert, dass sie sowohl lang- als auch kurzfristigen Bedürfnissen gerecht werden.
Das Endziel des Projekts ist nach wie vor die vollständige Sequenzierung der menschlichen DNA. Obwohl die Debatte über den Wert der Sequenzierung des gesamten Genoms anhält, erkennen die Forscher die Bedeutung der DNA-Sequenzinformationen bei der Aufdeckung von Genen und anderen biologischen Informationen an, die mit kleineren Techniken nicht gewonnen werden könnten.
Die neuen Ziele gehen erneut von einer Finanzierung des Gesamtgenomprogramms in Höhe von 200 Millionen Dollar pro Jahr aus, die nach 1990 an die Inflation angepasst wird. Obwohl dieser Betrag auch bei der Entwicklung und Umsetzung der ursprünglichen Ziele angenommen wurde, haben die Mittel dieses Niveau nie erreicht. Die Finanzierung des US-Genomprojekts für das Geschäftsjahr 1994 (das am 1. Oktober begann) beläuft sich auf etwa 170 Millionen Dollar.
Ein neuer Plan ist notwendig Die Fortschritte der letzten drei Jahre haben die ursprünglichen Ziele in greifbare Nähe gerückt: detaillierte humangenetische Karten, verbesserte physische Karten des menschlichen Genoms und des Genoms von Modellorganismen, Entwicklung von DNA-Sequenzierungs- und Informatiktechnologien und Identifizierung wichtiger ethischer, rechtlicher und sozialer Fragen (ELSI) im Zusammenhang mit der zunehmenden Verfügbarkeit genetischer Informationen. Obwohl der erste Fünfjahresplan erst im September 1995 auslaufen sollte, „haben die Fortschritte in der Genomforschung die Art und Weise, wie Forschung betrieben wird, bereits verändert“, sagte Collins. „Wir müssen diese Fortschritte in unsere derzeitigen Forschungsziele einbeziehen, um sicherzustellen, dass das Programm auch weiterhin ehrgeizig und innovativ bleibt.“
Das Genomprojekt hat bereits einen tiefgreifenden Einfluss auf die biomedizinische Forschung gehabt. Allein in den letzten Jahren haben die von den Projektforschern erstellten Karten dazu beigetragen, Gene zu finden, die mit Dutzenden von genetischen Erkrankungen in Verbindung gebracht werden, darunter das Menkes-Syndrom, die X-chromosomale Immunkrankheit Ammaglobulinämie, die Chorea Huntington, die myotonische Dystrophie, das fragile X-Syndrom, Neurofibromatose Typ 1 und 2 und andere. Neben der Identifizierung zahlreicher weiterer Krankheitsgene werden weitere künftige Entwicklungen es den Forschern ermöglichen, Genmutationen und gesundheitliche Auswirkungen zu erforschen, die durch Umwelteinflüsse verursacht werden.
Bei der Entwicklung der neuen Ziele holte eine Arbeitsgruppe des NIH-DOE den Rat von Wissenschaftlern, anderen interessierten Forschern und Vertretern der Öffentlichkeit ein, darunter auch viele außerhalb des Humangenomprojekts. (Berichte über diese Treffen sind bei HGMIS und dem NCHGR Office of Communications erhältlich; Kontakt
HGMIS, ORNL, 1060 Commerce Park, MS6480, Oak Ridge, TN 37831;
NCHGR, Bethesda, MD 20892; 301/402-0911, Fax: -4570)
Der Plan wurde dem NIH National Advisory Council for Human Genome Research und dem DOE Health and Environmental Research Advisory Committee vorgelegt und von diesen genehmigt.
Es folgen einige allgemeine Bemerkungen, die den spezifischen neuen Zielen zugrunde liegen.
Technologieentwicklung. Dies wird auch in Zukunft entscheidend für den Erfolg des Programms sein, insbesondere im Bereich der groß angelegten DNA-Sequenzierung. Zu den Errungenschaften, die sich auf die Forschungsstrategien auswirken, gehören neue Arten von genetischen Markern (z. B. Mikrosatelliten), die mit der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) untersucht werden können, verbesserte Vektorsysteme für das Klonen großer DNA-Fragmente und Methoden für die Zusammenstellung von Klonen zu physischen Karten, die Verwendung von sequenzmarkierten Stellen (STS) als gemeinsame physische Kartierungseinheiten und verbesserte DNA-Sequenzierungstechnologie und -automatisierung.
Künftige Kartierungsbemühungen. Diese Bemühungen sollten sich auf Regionen konzentrieren, die sowohl größer als auch kleiner als ein einzelnes Chromosom sind, der bisherigen Grundeinheit der Genomanalyse. (Ein „durchschnittliches“ menschliches Chromosom umfasst etwa 150 Mb.) Die Erstellung von Karten des gesamten Genoms mit geringer Auflösung ist dank der PCR- und Roboterentwicklungen jetzt möglich. Auch der Feinkartierung kleinerer DNA-Regionen (eine bis wenige Megabasen) muss immer mehr Aufmerksamkeit geschenkt werden. Eine Million Basen ist eine ehrgeizige Dimension für eine detaillierte Analyse, so der Plan, und wird eine „nützliche Brücke“ zwischen der konventionellen Genetik und der Genomforschung in größerem Maßstab sowie eine „Grundlage für Innovationen“ bilden, um Methoden zu entwickeln, die auf größere Regionen anwendbar sind. Die Planer weisen darauf hin, dass die bereits erzielten Fortschritte eine stärkere Konzentration auf Geninformationen zur Anreicherung der erstellten Karten ermöglichen.
Spezifische Ziele für den Zeitraum zwischen dem 1. Oktober 1993 und dem 30. September 1998 sind in einem weiteren Artikel in HGN 5(4):2 mit dem Titel „Five-Year Goals“ aufgeführt. Weitere Einzelheiten zu diesen Zielen sind nachstehend aufgeführt.
Genetische Karte. Die Forscher gehen davon aus, dass die im ersten 5-Jahres-Plan festgelegte genetische Karte rechtzeitig fertiggestellt wird, aber es sind technologische Verbesserungen erforderlich, um eine schnelle Typisierung von Familien durch Laien und gleichzeitige Multimarker-Tests einer großen Anzahl von Personen durch Forscher, die komplexe genetische Krankheiten untersuchen, zu ermöglichen. Erforderlich sind auch Methoden für das automatische Screening polymorpher Marker und neue Genkartierungsstrategien, die nicht auf einem Standardsatz polymorpher Marker beruhen.
Physische Karte. Eine STS-basierte physische Karte des menschlichen Genoms mit einer durchschnittlichen Auflösung von etwa 300 kb wird innerhalb von 2 bis 3 Jahren fertiggestellt sein. Da dieser Detaillierungsgrad weder für die Genkartierer noch für die Sequenzierer von ausreichendem Nutzen ist, sieht der Plan Marker vor, die in Abständen von 100 kb platziert werden. Eine solche Karte wäre für Forscher nützlich, die konventionelle Methoden anwenden, um Gene zu isolieren, die innerhalb von 100 kb eines kartierten Markers lokalisiert sind, oder für DNA-Sequenzierungspräparate.
Um das Auffinden von Genen und die DNA-Sequenzierung zu erleichtern, werden neue Ansätze für die Erstellung von Karten mit höherer Auflösung und für Klonierungssysteme benötigt, die eng mit der Entwicklung der Sequenzierungstechnologie verbunden sind. Der Plan empfiehlt auch die Verbesserung von Klonbibliotheken im Hinblick auf Stabilität und Chimärismus und die Verbesserung ihrer Zugänglichkeit.
DNA-Sequenzierung. Obwohl die Sequenzierungskosten das ursprüngliche Ziel von 1996 von 0,50 $/bp erreichen werden, schätzen die Planer, dass 100 Mio. $ pro Jahr erforderlich sein werden, um eine Sequenzierungstechnologie mit ausreichender Sequenzierungsrate zu entwickeln, die die Sequenzierung des gesamten menschlichen Genoms bis 2005 ermöglicht. Weitere Kostensenkungen und bessere Möglichkeiten zur Bewertung der Sequenzgenauigkeit sind ebenfalls von entscheidender Bedeutung. In dem Plan wird empfohlen, die Zahl der Gruppen, die an der Sequenzierung in großem Maßstab arbeiten, zu erhöhen, die herkömmlichen gelgestützten Verfahren zu verbessern und revolutionäre neue Methoden zu entwickeln.
Genidentifizierung. Die Fortschritte bei der Kartierung und die technologischen Verbesserungen haben es den Projektplanern ermöglicht, die Entwicklung der Technologie zur Genidentifizierung als neues Ziel festzulegen. Die Aufnahme von Genen in den rasch wachsenden Bestand an Karten und Sequenzen der Genome von Menschen und Modellorganismen wird diese Ressourcen für Forscher, die ihre Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit untersuchen, nützlicher machen.
Technologieentwicklung. Die Zusammenarbeit wird bei der Entwicklung wichtiger neuer Technologien gefördert, insbesondere bei der Automatisierung und Robotik, die für Labors der Grundlagenforschung, die Genome sequenzieren, die nicht im Rahmen des Humangenomprojekts untersucht werden, erweiterbar und exportierbar sind.
Modellorganismen. Die ursprünglichen Ziele werden wahrscheinlich für die genetische Karte der Maus, die physische Karte von Drosophila melanogaster und die DNA-Sequenzierung von Escherichia coli, Sacharomyces cerevisiae und Caenorhabditis elegans übertroffen. Zu den Prioritäten gehören die Fertigstellung der Mauskarte und die Sequenzierung bestimmter Modellorganismen.
Informatik. Obwohl bereits große Fortschritte erzielt wurden, ist die weitere Entwicklung zugänglicher, benutzerfreundlicher Werkzeuge für die Sammlung, Organisation und Interpretation riesiger Datenmengen weiterhin entscheidend für den Erfolg des Projekts. Wichtige künftige Ziele sind die Datenverwaltung, -analyse und -verteilung.
ELSI. Die ELSI-Diskussionen sind sowohl mit der Genomforschung als auch mit der Nutzung der daraus resultierenden Daten verbunden. Für vier Bereiche, die als die Bereiche mit den größten unmittelbaren Auswirkungen auf die Gesellschaft identifiziert wurden, werden erste politische Optionen für diese Nutzung entwickelt: Datenschutz, Fairness, klinische Anwendungen sowie berufliche und öffentliche Bildung. In den nächsten zwei Jahren werden weitere Berichte zu allen Themen vorgelegt.
Politische Entscheidungsträger müssen kulturelle und andere soziale Einflüsse berücksichtigen, wenn sie politische Maßnahmen vorbereiten, die die zunehmenden Auswirkungen weit verbreiteter Gentests auf die Öffentlichkeit antizipieren. Empfohlen und gefördert wird auch die aktive Beteiligung betroffener Einzelpersonen und Gruppen an der Entwicklung politischer Optionen sowie eine verstärkte Aufklärung der Öffentlichkeit und der Fachleute auf allen Ebenen, um Stigmatisierung und Diskriminierung zu verhindern.
Ausbildung. Aufgrund der gestiegenen Zahl von Genomzentren ist zu erwarten, dass mehr hochwertige Ausbildungsprogramme eingerichtet werden, um den Bedarf an interdisziplinärer Ausbildung von Wissenschaftlern für die Genomforschung zu decken.
Technologietransfer. Viele neue Unternehmen wurden bereits gegründet, um Anwendungen der Genomforschung zu entwickeln, und die Zusammenarbeit zwischen staatlich geförderten Genomforschern und dem privaten Sektor hat zugenommen. Der Plan ermutigt zu einer weiteren Zusammenarbeit mit der Industrie, mahnt aber zur Vorsicht, um Interessenkonflikte zu vermeiden. Der Technologietransfer von anderen Bereichen zu Genomzentren muss ebenfalls stattfinden.
Outreach. Der private Sektor wird ermutigt (in einigen Fällen mit Anschubfinanzierung), Vertriebszentren für Genommaterialien einzurichten und schnell auf die sich entwickelnden Bedürfnisse der wissenschaftlichen Gemeinschaft zu reagieren. Die Politik der gemeinsamen Nutzung von Daten und Materialien (innerhalb von 6 Monaten nach der Erstellung) wurde gut angenommen.
Internationale Zusammenarbeit
Der neue 5-Jahres-Plan des DOE-NIH würdigt den „Geist der internationalen Zusammenarbeit und der gemeinsamen Nutzung“, der das Humangenomprojekt charakterisiert und eine wichtige Rolle für seinen Erfolg gespielt hat.
Die Humangenom-Organisation wurde für die Koordinierung der internationalen Forschungsanstrengungen durch die Organisation von Chromosomen-Workshops gelobt, um die Zusammenarbeit zu fördern und die Fertigstellung der Chromosomenkarten zu beschleunigen.
Nennenswerte internationale Kooperationen:
- Sequenzierungsprojekt Caenorhabditis elegans (Vereinigte Staaten und Vereinigtes Königreich).
- Projekt zur physischen Kartierung von Chromosom 16 (Los Alamos National Laboratory und Australien).
- Hochauflösende physikalische Karte des Chromosoms 21 (Lawrence Livermore National Laboratory und Japan).
- Menschliche genetische Karte (NIH und Centre d’Etude du Polymorphisme Humain).
- Whole-genome approach to a human physical map (Whitehead Institute and Genethon).