00:00:00: Dr. Barbara Strobl Hallo und herzlich willkommen bei „Der Code des Lebens“, unserem Wissenschaftspodcast über die Genomforschung von gestern, heute und morgen. Mein Name ist Barbara Strobl und dieser Podcast wird präsentiert von GHGA, dem Deutschen Humangenom-Phänomarchiv. In der heutigen Folge geht es um die Frage, wie funktioniert die Genomforschung eigentlich überhaupt? Also, wie kommen wir von diesem Buchstabensalat an 3 Milliarden Basen zu einem konkreten Genetikwissen? Was das alles mit leuchtenden Quallen zu tun hat, erfahrt ihr in dieser Folge. Stellen wir uns vor, wir haben eine Häkelanleitung in einer Fremdsprache. Zusätzlich haben wir aber auch eine Person, die diese Häkelanleitung lesen und auch häkeln kann. Wir wüssten gerne, wofür diese Anleitung steht, geben die Anleitung also an die Person und herauskommt ein Teddybär. Jetzt sind wir aber noch neugierig und wüssten gerne, welcher Abschnitt ist denn eigentlich die Anleitung für welchen Teil des Teddybärs? Wir überlegen ein bisschen, wie wir das herausfinden könnten und schneiden dann einfach einen Teil der Anleitung aus. Diese neue Anleitung geben wir dann wieder an die Person, die häkelt wieder und herauskommt ein Teddybär, dem ein Ohr fehlt. Wir wissen also, dieser Abschnitt ist die Anleitung für das Ohr. Anstatt etwas auszuschneiden, können wir auch einfach einen Teil der Anleitung verändern. Zum Beispiel könnte dann herauskommen, dass es jetzt kein Braunbär mehr wird, sondern ein Eisbär. Oder ist wird eine andere Watte verwendet. Dann würden wir auf Anhieb erst einmal gar nichts merken, später beim Waschen würde dann aber diese Veränderung entdeckt werden. Vielleicht haben wir auch eine weitere Anleitung, zum Beispiel von einem kleinen Hasen, und von dem wissen wir bereits ein paar Abschnitte. Zum Beispiel wissen wir, dass ein ganz bestimmter Abschnitt für die Augen des Hasen zuständig ist. Wir suchen also den gleichen Abschnitt in der Teddybär Anleitung und können dann davon ausgehen, dass es sich auch hierbei um die Augen handelt. Das Ganze ist ziemlich ähnlich zur DNA und den Menschen. Also die DNA ist sozusagen die Häkelanleitung und wir Menschen sind die Teddybären. Das heißt, nur die Buchstaben der DNA zu haben, reicht nicht, man will auch wissen, welcher Bereich der Anleitung für welche Körperfunktion zuständig ist. Unser heutiger Gast ist Julia Philipp. Sie arbeitet am EMBL, also im Europäischen Laboratorium für Molekularbiologie in Heidelberg. Dort arbeitet sie unter anderem für GHGA, sie ist also auch meine Arbeitskollegin. Ihre Doktorarbeit hat sie im Bereich der mRNA geschrieben, sie hat sich also bereits jahrelang mit der Genomforschung beschäftigt. Meine erste Frage an Julia ist: Warum arbeitest du in der Genomforschung?

00:02:53: Dr. Julia Philipp Meine Motivation ist, dass Genomforschung ist ein sich unheimlich schnell entwickelndes Feld, da passiert viel. Da gibt es ständig neue Erkenntnisse, ständig neue Methoden. Das macht viel Spaß, sich damit zu beschäftigen. Es wird nicht langweilig, man kommt ständig in die Position, in der man was Neues lernen muss und kann und darf. Und von meinem Hintergrund komme ich aus der biomedizinischen Forschung, also ich finde es auch interessant, wie viel Genomforschung wir einfach in der Medizin anwenden können. Und dann letzten Endes finde ich es auch faszinierend, wie uns Genomforschung erlaubt, digital zu forschen im Prinzip. Also ich bin zwar Biologin und habe im Labor angefangen zu arbeiten, aber ich habe in den letzten sieben Jahren bestimmt keine Pipette mehr in der Hand gehabt und stand nicht mehr im Labor, einfach weil man so viel Forschung mit den Daten betreiben kann, die man aus der Genomforschung bekommt.

00:03:52: Dr. Barbara Strobl Bevor wir nun in die möglichen Methoden der Genomforschung eintauchen, nochmal eine kurze Erklärung, wie unser Körper eigentlich funktioniert. Also, wie man von der DNA zu den konkreten Körperfunktionen kommt. Julia hat dafür ein tolles Gleichnis:

00:04:07: Dr. Julia Philipp Also, am liebsten erkläre ich den Weg von der DNA bis hin zum Protein mit der Analogie einer Autofirma. Also wenn wir uns überlegen, eine Autofirma hat die Möglichkeit, viele verschiedenen Autos zu machen. Das ist deren Produkt und das wären in unserem Fall die verschiedenen Proteine. Dann hat diese Autofirma einen Tresor irgendwo stehen, der die Anleitung für alle Autos enthält und das wäre unsere DNA. So, und wenn wir jetzt ein Auto produzieren möchten, dann würden wir in diesen Tresor gehen und würden uns eine Kopie von der Anleitung machen, weil die Originalanleitung ist wertvoll, die wollen wir nicht verlieren, deswegen wollen wir sie nicht aus dem Tresor herausnehmen. Das heißt wir machen uns eine Kopie und dann schauen wir uns genau an, welches Auto möchten wir eigentlich machen und welche Teile brauchen wir dafür. Also wir brauchen 4 Räder, wir brauchen den Motor und das Dach etc. Und dann können wir aus der Kopie, die wir gemacht haben, nochmal die richtigen Teile zusammensuchen. Das ist der Prozess des DNA-Ablesens in die Präm-RNA und die kann dann nochmal bearbeitet werden, zusammengeschnitten werden zur mRNA, dem Messenger-RNA. So, und dann nehmen wir unsere fertige Kopie, die alle Teile enthält, die wir möchten, aber nicht die Teile, die wir nicht möchten, und gehen raus in die Fabrikhalle. Und dort haben wir 3D Drucker stehen. So und jetzt nehmen wir unsere Kopie und geben die an diese 3D Drucker weiter. Diese 3D Drucker, das sind die Ribosomen und die benutzen unsere Anleitung und die Bausteine, die in der Firma herumschwirren und setzen dann diese Autos zusammen. Und also diese Ribosomen in unserem Körper lesen die mRNA ab. Das ist die Kopie, die aus dem Zellkern von der DNA kommt und wir haben diese Eiweißbausteine in der Zelle herumschwimmen und die setzen die dann in der richtigen Reihenfolge zusammen und machen damit Proteine.

00:05:56: Dr. Barbara Strobl Das fertige Auto entspricht also einem Protein in unserem Körper. Aber was war ein Protein nochmal genau?

00:06:02: Dr. Julia Philipp Ein Protein ist ein komplexeres Molekül, also eigentlich ein Eiweiß, auch wenn das mit den Eiweißen, mit denen wir uns in der Ernährung beschäftigen, vielleicht nicht unbedingt übereinstimmt. Aber im Prinzip ist es ein größeres Molekül, basierend aus vielen Unterbausteinen, die können unterschiedlich angeordnet sein und eine Funktion in unserem Körper oder in unseren Zellen ausüben. Zum Beispiel das Enzym Laktase ist ein Protein, ein bestimmtes Protein, das chemische Prozesse unterstützen kann und wir wissen jetzt zum Beispiel, dass die Funktion von Laktase ist eben, Milchzucker zu verdauen. Das wäre ein Beispiel für ein Protein.

00:06:44: Dr. Barbara Strobl Die DNA wird in einen kodierenden Bereich und einen nicht kodierenden Bereich unterteilt. Was ist da eigentlich der Unterschied?

00:06:53: Dr. Julia Philipp Unter kodierendem Bereich versteht man eigentlich einen Abschnitt in der DNA, also in unserem Erbgut, der für ein Protein kodiert. Also das heißt, die DNA wird von einer kleinen molekularen Maschine abgelesen und enthält Instruktionen, wie eine andere molekulare Maschine, also ein Protein, gebaut wird. Das ist ein kodierender Bereich. Und ein nicht kodierender Bereich kann auch Informationen enthalten, aber kodiert nicht für Proteine. Also die Informationen, die da enthalten werden, sind vielleicht eher regulativ, also soll irgendeine Funktion hochgeschaltet werden, soll eine Funktion runtergeschaltet werden, angeschaltet werden, ausgeschaltet werden.

00:07:43: Dr. Barbara Strobl In der letzten Folge haben wir über das Humangenomprojekt gesprochen. Daher über das Projekt, das das gesamte menschliche Genom vollständig sequenziert hat. Was waren denn danach die nächsten logischen Schritte in der Genomforschung?

00:07:57: Dr. Julia Philipp Also, zum einen hat man gar nicht alles so gut sequenzieren können, wie man es erwartet hat. Also da waren Abschnitte im Genom, die viel schwieriger experimentell zu sequenzieren waren, als man erwartet hat. Das war zu dem Zeitpunkt, als das Genomprojekt als fertig erklärt wurde, auch gar nicht vollständig gemacht. Ich glaube, man hat nur so 99 Prozent der Buchstaben sequenziert. Zum anderen, genau, hat man die sogenannten proteinkodierenden Abschnitte, also Buchstabenfolgen, die abgelesen werden und in eine Eiweißstruktur oder Proteine übersetzt werden, die hat man identifiziert. Aber dabei hat man auch gemerkt, wie wenig diese Genabschnitte eigentlich in unserer DANN, in unserem Erbgut ausmachen. Und dass ist noch viel längere Abschnitte gibt, die gar nicht proteinkodierend sind. Und da war natürlich eine der großen Fragen, was sind denn diese Abschnitte? Also diese fast 99 Prozent des Erbguts, die nicht für Proteine kodieren, wie funktionieren die, was steht da drin, was bedeuten die für uns als Menschen? Und in den 60ern und 70ern hatte man noch die Idee von… das ist „Junk DNA, also Müll, da steht gar nichts drin. Den Begriff benutzt man heute eigentlich nicht mehr. Also heute weiß man oder geht man davon aus, dass viele dieser Abschnitte Funktionen haben, auch wenn wir sie vielleicht noch nicht alle kennen. Und um diese Fragen zu beantworten, hat man dann im Prinzip das ENCODE Projekt ins Leben gerufen, also ENCODE für „was kodieren diese Gene im Prinzip oder diese Abschnitte?“ Und ja, das war eines der nächsten großen Projekte, die man dann wieder mit unglaublich viel Sequenzierdaten vorangetrieben hat. Eine andere offene Forschungsfrage war auch, wir hatten jetzt das menschliche Genome sequenziert, aber wir wissen ja auch, dass wir genetische Unterschiede haben. Also, dein Genom und mein Genom mögen vielleicht 99,8% gleich sein, aber wir werden in den einen oder anderen Positionen andere Buchstabenfolgen haben. Und diese genetischen Variationen zu finden, war auch wichtig. Dafür gab es zum Beispiel das „HatMap Projekt“ oder das „1000-Genome-Projekt“, in dem man versucht hat zu finden, wo sind die variablen Stellen im Erbgut und diese Karten von diesen variablen Stellen konnte man dann später auch benutzen, um zum Beispiel Krankheiten, besonders Erbkrankheiten. zu erforschen.

00:10:15: Dr. Barbara Strobl Und nun kommen wir zu den eigentlichen Methoden der Genomforschung. In der Einleitung haben wir ja bereits das Gleichnis mit der Häkelanleitung gehört, jetzt wird es natürlich ein bisschen technischer. Also, wie kann man denn eigentlich herausfinden, welcher DNA-Abschnitt für welche Körperfunktion zuständig ist?

00:10:33: Dr. Julia Philipp Also heutzutage, nachdem das Humangenomprojekt abgeschlossen ist, hat man es da relativ leicht. Also auch wenn man einen Abschnitt von Buchstaben hat und dessen Funktion nicht weiß, die allererste Anlaufstelle wäre eben zu diesem Genome Browser zu gehen und einfach zu vergleichen. Die eigene Buchstabensequenz, die man hat, mit allen Funktionen, allen Annotationen, die schon bekannt sind, um zu sehen, ob ich auf die Art und Weise Informationen bekommen kann. So, und bevor das Genomprojekt publiziert war oder falls wir einen Buchstabenabschnitt haben, den wir nicht finden in dem Genome Browser, können wir natürlich alle möglichen molekulargenetischen, molekularbiologischen Techniken anstellen, um versuchen herauszufinden, was dieses Gen tut. Also, einer der ersten Schritte wäre wahrscheinlich, versuchen… das macht man halt sich hier in Zellen, also in Zellkulturen, dass man sagt, ich möchte dieses Gen ausschalten und dann zu sehen, was die Zelle dann macht. Also, bleiben wir vielleicht wieder bei dem Beispiel Laktase, auch wenn ich jetzt nicht weiß, was dieses Gen tut. Ich versuche es entweder aus der DNA rauszuschneiden oder an eine sogenannte Mutation einzufügen, also eine Buchstabenveränderung und dann würde ich beobachten, was die Zelle jetzt macht, produziert sie noch Proteine, produziert sie keine Proteine mehr, verändert sich vielleicht die Form etc. und dann kann ich von dort aus weiterforschen.

00:12:05: Dr. Barbara Strobl Das Äquivalent zu dieser Methode ist, dass man einen Teil der Häkelanleitung ausschneidet und nachher sieht, dass dem Teddybären sein Ohr fehlt. Diese Methode der Gen-Ausschaltung wurde übrigens auch von Christiane Nüsslein-Volhard verwendet. Sie ist Biologin und Biochemikerin am Max-Planck-Institut für Biologie in Tübingen und bekam für ihre Forschung den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin im Jahr 1995. In ihrer Forschung ging es über die genetische Kontrolle der frühen Embryonalentwicklung. Zu dieser Zeit wurden viele Gene entdeckt und dabei entstanden sehr lustige Gen-Namen. Zum Beispiel gibt es das „Tinman-Gen“, also das „Blechmann-Gen“. Dieser Name stammt aus dem Kinderbuch „Der Zauberer von Oz“, denn der „Tinman“ oder „Blechmann“ hat bekanntlich kein Herz. Es wurde beobachtet, dass Fliegen mit einer Mutation in diesem Gen eine Herzdeformation hatten. Daher der Name. Außerdem gibt es das Toll-Gen. Dieses wurde von Christiane Nüsslein-Volhard und ihrem Kollegen Eric Wieschaus benannt. Sie beide haben eine Fliege mit einer Mutation in genau diesem Gen unter dem Mikroskop angeschaut. Ihre Entdeckung fanden sie dann „toll“. Und noch ein letztes Beispiel: Es gibt ein sogenanntes „Sonic-Hedgehog-Gen“. Dieses wurde nach dem blauen Igel aus den Videospielen benannt. Ein Fehler in diesem Gen führt in einem Fliegenembryo zu einem stachelartigen Gebilde. Übrigens passiert genau so eine Gen-Ausschaltung bei vielen seltenen Erkrankungen. Daher, ein Gen funktioniert nicht richtig, wodurch dann zum Beispiel ein Protein fehlt und dadurch wird man krank. Mehr Details dazu gibt es in der nächsten Folge. Aber welche weiteren Methoden, um die Funktion eines Gens herauszufinden, gibt es denn noch?

00:13:49: Dr. Julia Philipp Was man auch machen kann, ist ganze Art Schnappschüsse aufnehmen von allem, was gerade in der Zelle passiert. Also zum Beispiel das Transkriptom analysieren, also die mRNAs, die produziert werden, um zu sehen, ob sich da was verändert, basierend auf den Veränderungen in dem Genom.

00:14:07: Dr. Barbara Strobl Für diesen Prozess ist unser Gleichnis mit der Häkelanleitung fast ein bisschen zu einfach. Allerdings können wir das Gleichnis mit der Autofirma verwenden. Das Transkriptom entspricht den Kopien, die man von der ursprünglichen Anleitung macht. Daher, wenn auf einmal gewisse Kopien nicht mehr angefertigt werden, kann man auch davon ausgehen, dass die Zelle nicht mehr vorhat, diesen Auto-Teil zu bauen.

00:14:32: Dr. Julia Philipp Genau, ansonsten gibt es auch die Idee von Reportergenen zum Beispiel. Da kann man Genabschnitte ersetzen mit Sachen, die man schon kennt. Also zum Beispiel gibt es Genabschnitte, die für fluoreszierende Proteine kodieren, wie zum Beispiel in fluoreszierenden Quallen, den Genabschnitt kennt man. Also kann man den zum Beispiel einsetzen hinter die regulierenden Sequenzen des Gens und dann beobachten, wie sich dieses Leuchten in den Zellen verändert. Und daraus kann man zum Beispiel schließen, wann dieses Gen benutzt wird. Wenn man das immer nur einmal in 24 Stunden benutzt? Wird das alle 10 Minuten benutzt? Ist das konstant an?

00:15:16: Dr. Barbara Strobl Das wäre, wie wenn man bei der Häkelanleitung für den Teddybären einen Farbwechsel einbaut. Nachdem er gehäkelt wurde, können wir nachsehen, wie oft dieser Faden mit der neuen Farbe verwendet wurde. Überhaupt nie, nur einmal, oder war es eine Stelle, die immer wieder wiederholt werden musste, also man sieht den neuen Faden immer wieder. Für diese Methode mit dem Leuchtgen gab es übrigens sogar einen Nobelpreis, und zwar 2008 in Chemie. Dieser wurde sowohl für die Entdeckung des Gens als auch für die Entwicklung als essenzielles Werkzeug in der Biologie vergeben. Dieses Gen ermöglicht, unsichtbare Prozesse sichtbar zu machen. So zum Beispiel die Entwicklung von Nervenzellen oder auch die Ausbreitung von Krebszellen. Wie wichtig dieses Gen ist, sieht man zum Beispiel darin, dass es mehr als 300.000 Publikationen gibt, die das GFP-Gen erwähnen, wenn man auf der NCBI „PubMed“ Suchplattform nach Publikationen sucht.

00:16:09: Dr. Julia Philipp Mit diesen vielen verschiedenen Fragen kann man dann so ein bisschen zusammenpuzzeln und herausfinden, was ein Gen eigentlich tut.

00:16:16: Dr. Barbara Strobl Ist es auch möglich, nur statistisch, also ohne Laborversuche, gewisse Funktionen herauszufinden?

00:16:23: Dr. Julia Philipp Klar, also zum einen kann man Computer oder Software unglaublich gut zu Vergleichen einsetzen. Also zum Beispiel, wenn ich einen Abschnitt habe und ich weiß nicht, was der tut, dann kann man gegen Datenbanken, zum einen zum Beispiel den Genome Browser, vergleichen, wie ähnlich sind sich diese zwei Abschnitte und kann ich daher eine Funktion ableiten. Das Gleiche funktioniert auch mit anderen Lebewesen. Je näher die mit uns verwandt sind, desto besser. Aber wenn wir zum Beispiel nur eine genetische Beschreibung von einer Maus hätten, dann könnten wir auch ein Mausgenom nehmen und es mit unserem Abschnitt vergleichen und schauen, ob uns das bei der Erklärung hilft. Und ansonsten gibt es mittlerweile auch gerade durch das ENCODE-Projekt unglaublich viel Wissen über nicht kodierende Abschnitte und wie die aussehen. Also teilweise gibt es da sehr bestimmte Buchstabenreinfolgen, die bestimmte Effekte haben, wie zum Beispiel Hochregulation oder Runterregulation. Das sind Sachen, die man auch sehr gut mit dem Computer rausfinden kann, indem man nach diesen bestimmten Abschnitten sucht. Ja, und dann, wenn wir uns komplexeren Fragen stellen, also zum Beispiel, wir möchten ganze Transkriptome oder ganze Genome analysieren, dann kommen auf jeden Fall auch so Fragen oder so Methoden wie Künstliche Intelligenz zum Zuge, wenn wir so große Datenmengen analysieren möchten, die wir so als Mensch gar nicht mehr im Überblick haben. Da können wir dann den Computer ansetzen lassen, sagen hier, ziehe uns mal die wichtigen Stellen raus, basierend auf diesen anderen Genomen oder wir vergleichen gesunde Genome mit jemandem, der vielleicht eine Krankheit hat und können dann rausfinden, wo die Unterschiede sind. Und das würde uns dann helfen, die Funktionen oder die Effekte von diesen Unterschieden einzugrenzen mit dem Computer.

00:18:16: Dr. Barbara Strobl In der Genomforschung hat sich ja in den letzten Jahrzehnten einiges getan. Was glaubst du, wird man in den nächsten zehn Jahren wissen, was man heute noch nicht weiß?

00:18:26: Dr. Julia Philipp Ich glaube, man könnte zum Beispiel doch einiges an Regulationen noch ausfinden. Also zum Beispiel auch, woran ich in meiner Doktorarbeit gearbeitet habe, vielleicht kann ich das ganz kurz einschieben, waren so Fragen wie: Das menschliche Genom und das Genom von Menschenaffinen ist ja auch unglaublich gleich und trotzdem sind wir so unterschiedlich und haben unterschiedliche Fähigkeiten und das Gleiche geht natürlich auch zwischen Menschen. Und ich glaube, da können wir noch sehr viel erfahren, was die regulativen Abschnitte sind, die im Einzelnen bestimmen, was uns so individuell macht oder was uns vielleicht doch von Menschenaffen abgrenzt. Da können wir, glaube ich, in den nächsten zehn Jahren noch viel erreichen.

00:19:09: Dr. Barbara Strobl Glaubst du, man wird in Zukunft je das gesamte menschliche Genom verstehen?

00:19:12: Dr. Julia Philipp Meine optimistische Hoffnung ist auf jeden Fall, dass wir das können. Also jetzt letzten Jahr im Mai wurde ja endlich das komplette menschliche Genom publiziert. Alle drei Milliarden Buchstaben endlich aufgeschrieben. Da haben wir auch lange alle nicht dran geglaubt, dass es immer noch Teile gibt, die zu schwer zu sequenzieren sind oder sie wiederholen sich zu oft. Deswegen können wir nicht genau sagen, in welcher Reihenfolge die stattfinden. Aber das wurde letztes Jahr im Mai heimlich, still und leise publiziert. Das heißt, da können wir schon mal einen Haken dran machen. Die andere Frage ist natürlich, können wir jeden einzelnen Abschnitt verstehen, aber ich denke auch, mit jeder Iteration von neuen Methoden, die da aufkommen, wird man bestimmten Abschnitten wieder neue Erkenntnisse abgewinnen können. Also ich glaube schon, das Problem an diesem „das ganze Genom verstehen“ ist glaube ich auch, dass verschiedene Teile des Genoms miteinander interagieren. Also wir hatten ja schon von sogenannten regulativen Abschnitten gesprochen, die Gene einschalten und ausschalten können oder aufdrehen und abdrehen können. Und da gibt es einfach unglaublich viele Wechselwirkungen, die teilweise auch zwischen Abschnitten passieren, die gar nicht direkt nebeneinander liegen, sondern die vielleicht durch ihre Verknüllung und Aufwindung im Zellkehren dann erst miteinander interagieren. Und da dieses komplette Bild zu bekommen, auch mit Computern, auch mit Modellierungen, das denke ich, ist schon deutlich schwieriger. Und da wird der Fortschritt vielleicht auch immer langsamer gehen oder der Abstand zwischen großen Erkenntnissen wird immer länger, aber ultimativ glaube ich schon, dass wir das erreichen können.

00:20:56: Dr. Barbara Strobl Das nächste Mal, wenn ihr etwas häkeln wollt, ein Auto zusammenbaut oder einfach versucht, ein Ikea-Regal aufzustellen, denkt daran, wie wichtig es ist, eine Anleitung auch wirklich zu verstehen. Aber was passiert, wenn eine Anleitung einen Fehler hat? Viele Krankheiten basieren auf genetischen Fehlern. Wie das Wissen aus der Genomforschung in der medizinischen Behandlung helfen kann, besprechen wir in der nächsten Folge. Welche Tricks der Genomforschung kennt ihr so? Antwortet uns auf unserer Homepage www.ghga.de oder auf unserem Twitter-Account @codedeslebens. Dieser Podcast wurde präsentiert von GHGA. Wir bieten Infrastruktur in welcher Genomdaten sowie weitere medizinische Daten sicher gespeichert und kontrolliert zugänglich gemacht werden können. Das Projekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft finanziert und ist Teil der Nationalen Forschungsdateninfrastruktur. Vielen Dank fürs Zuhören und herzlichen Dank an unseren heutigen Gast, Dr. Julia Philipp. Bis zum nächsten Mal!