Die Zeitschrift Nature hat kürzlich einen wichtigen Präzedenzfall für die Internetwelt geschaffen, indem sie einen Artikel 10 Tage vor der geplanten Veröffentlichung am 18. Mai online stellte. Die Entscheidung hing natürlich von der Bedeutung der Arbeit ab. Darin enthüllt ein internationales Konsortium von Wissenschaftlern die vollständige Sequenz von Chromosom 21, dem kleinsten aller 24 menschlichen Chromosomen. Und was sie gefunden haben – ein unerwarteter Mangel an Genen auf 21 – deutet darauf hin, dass die Gesamtzahl der menschlichen Gene sehr wahrscheinlich überschätzt wurde.
Das Chromosom 21, das etwa 1 Prozent des gesamten Genoms ausmacht, war erwartungsgemäß genarm, aber nicht so arm, wie es jetzt scheint. Tatsächlich ging das Unigene-Projekt davon aus, dass 21 nur 80 Prozent der Anzahl von Genen tragen würde, die man für ein Chromosom dieser Größe erwarten würde. Wenn also die Gesamtzahl der erwarteten menschlichen Gene bei etwa 100.000 liegt, so war die Vorhersage, dass 21 800 bis 1.000 Gene enthalten würde, also 80 Prozent von 1 Prozent des Genoms.
Das Chromosom-21-Konsortium, dem Forscher aus Japan, Deutschland, Frankreich, der Schweiz, England und den USA angehörten, hat jedoch nur 225 Gene gefunden. Dies ist nicht nur im Vergleich zu den Vorhersagen eine geringe Zahl, sondern auch im Vergleich zu dem anderen bisher vollständig sequenzierten Chromosom 22, das 545 Gene enthält und ähnlich groß ist. Chromosom 22 gilt als „genreich“, aber die neuen Informationen veranlassen die Forscher dennoch, ihre Vorhersagen über das Genom selbst zu revidieren.
„Diese beiden Chromosomen zusammen“, schreiben die Autoren der Studie, „machen etwa 2 Prozent des menschlichen Genoms aus und enthalten zusammen 770 Gene. Unter der Annahme, dass beide Chromosomen zusammen einen durchschnittlichen Gengehalt des Genoms widerspiegeln, schätzen wir, dass die Gesamtzahl der menschlichen Gene nahe bei 40.000 liegen könnte.“
Trotz der geringen Anzahl von Genen auf Chromosom 21 war es kein einfaches DNA-Knäuel, das zu entwirren war, und dabei machte das Konsortium mehrere technische Fortschritte. Alle Chromosomen sehen wie X-Chromosomen aus und haben kurze und lange DNA-Arme, die aus Millionen von Basenpaaren bestehen. Die Gruppe berichtet über eine Sequenz, die 99,7 Prozent des langen Arms von Chromosom 21 abdeckt, das sind 33,55 Millionen Basenpaare. Und innerhalb dieser Sequenz befindet sich ein ununterbrochener Abschnitt von 28,5 Millionen Basenpaaren – die längste bisher bekannte zusammenhängende DNA-Sequenz.
Das Papier beschreibt auch eine Sequenz von 281.000 Basenpaaren auf dem kurzen Arm von Chromosom 21, die schwierig zu kartieren und zu klonen war, weil sie eine Reihe von sich stark wiederholenden Sequenzen enthält (siehe Abbildung links). Die Länge dieses kurzen Arms variiert stark von Individuum zu Individuum, so dass diese Sequenz das erste Beispiel für einen großen Teil des Genoms darstellt, der sich drastisch ausdehnen oder zusammenziehen kann.
Die genauere Bestimmung der Funktion der Gene auf Chromosom 21 könnte ein Segen für die medizinische Forschung sein. Mutationen in 14 bekannten Genen auf Chromosom 21 spielen unter anderem bei einer Form der Alzheimer-Krankheit, der amytrophen Lateralsklerose und der progressiven Myoklonus-Epilepsie eine Rolle. Außerdem befinden sich auf Chromosom 21 Gene, die noch nicht identifiziert sind, aber für fünf so genannte monogene Störungen verantwortlich sind, darunter zwei Formen der Taubheit sowie das Usher- und das Knobloch-Syndrom.
Vielleicht am bedeutsamsten ist die dritte Kopie des Chromosoms 21, die Trisomie 21, die zum Down-Syndrom führt, das bei bis zu einer von 700 Geburten auftritt und die häufigste Ursache für geistige Behinderungen ist. Da das Chromosom 21 über so wenige Gene verfügt, ist es wahrscheinlich, dass Trisomie 21 im Gegensatz zu vielen anderen Chromosomenstörungen nicht vor der Geburt oder sogar in jungen Jahren tödlich ist. Dennoch wird das Down-Syndrom mit mehr als 80 körperlichen und geistigen Problemen in Verbindung gebracht, darunter angeborene Herzkrankheiten, ein erhöhtes Risiko für bestimmte Leukämien und immunologische Schwächen.
Die Arbeit enthält gute Nachrichten für Wissenschaftler, die hoffen, die Gene auf dem Chromosom 21 ausfindig machen zu können, die für die verschiedenen Komplikationen des Down-Syndroms verantwortlich sind: Regionen des menschlichen Chromosoms 21 haben viele Gemeinsamkeiten mit mehreren Regionen der Mäusechromosomen 10, 16 und 17 – Regionen, die bei verschiedenen Arten als konservierte Syntenien bezeichnet werden. Dieser hohe Erhaltungsgrad bedeutet, dass sich die Wissenschaftler an den Karten der Maus orientieren können. Bessere Möglichkeiten für den Umgang mit dem Down-Syndrom werden sich vielleicht nicht sofort ergeben, aber es ist ein Anfang.