Genetik: Die DNA des Menschen mutiert schneller als gedacht

Im Laufe des Lebens eines Menschen mutiert das Erbgut eines Menschen — entweder durch Zufall oder durch umweltbedingte Einflüsse wie etwa Chemikalien oder Strahlung. Außerdem werden Mutationen von Eltern an ihre Kinder vererbt. Genetiker:innen haben nun ermittelt, wie vielen individuellen Mutationen unsere DNA im Laufe des Lebens unterworfen ist und welche Regionen im Genom für solche Mutationen besonders anfällig sind. Laut den Forscher:innen trägt jeder Mensch durchschnittlich 152 neu entwickelte DNA-Veränderungen in seinem Erbgut. Dabei mutieren manche Genombereiche öfter als bisher angenommen wurde, andere dagegen sind wesentlich stabiler.

Schnelleres Tempo bei Mutationen

„Die gesamte genetische Variation, die wir von Individuum zu Individuum sehen, ist das Ergebnis dieser Mutationen“, so Lynn Jorde von der University of Utah, einer der Koautoren der Studie. Derartige individuelle Genveränderungen bestimmen neben harmlosen Dingen wie unsere Augenfarbe auch gesundheitliche Aspekte wie die Fähigkeit zur Verdauung von Laktose sowie das Vorhandensein genetischer Krankheiten. Die Wissenschaft schätzt, dass die Gene eines Menschen sich an mehreren Hundert Stellen von denen der beiden Elternteile unterscheiden.

Wie viele individuelle Mutationen in unserem Genom auftreten und welche vererbt werden, ist nur teilweise erforscht. Viele dieser Veränderungen treten in Bereichen des Erbguts auf, die nur schwer zu untersuchen sind, etwa den Bereichen an den Zentromeren. Bisher waren daher nur etwa 60 bis 70 individuelle, nicht vererbte Mutationen pro Generation nachweisbar.

Hochauflösende Karte stellt die Veränderungen des Genoms dar

Das Team rund um David Porubsky von der University of Washington haben nun mehrere moderne DNA-Analyse-Methoden miteinander kombiniert. So konnten sie die Veränderungsrate des menschlichen Erbguts erstmals vollständig untersuchen, indem sie die DNA von 28 Personen aus vier Generationen derselben Familie sequenzierten und miteinander verglichen.

Dabei kamen fünf verschiedene Technologien zum Einsatz, die sowohl große als auch kleinste Veränderungen in den verschiedenen DAN-Abschnitten erkennbar machten. In den Analysen stellte sich heraus, dass unser Erbgut sich nicht überall gleichermaßen verändert, sondern je nach Abschnitt unterschiedlich schnell mutiert.

„Wir haben Teile unseres Genoms gesehen, die enorm veränderlich sind, fast jede Generation eine Mutation. Die Rate der De-novo-Strukturvarianten stieg gegenüber früheren Schätzungen von 0,2 bis 0,3 auf drei bis vier pro Generation“ schreiben die Forscher:innen. Das bedeutet, dass die Mutationsrate in diesen Abschnitten deutlich höher ist als zuvor angenommen wurde, während andere DNA-Segmente sich als stabiler herausstellten als bisher bekannt war.

Das Team nutzte die Daten dann, um eine hochaufgelöste Karte des menschlichen Erbguts zu erstellen. Diese zeigt so präzise wie noch nie, welche DNA-Abschnitte schnell und welche eher langsam mutieren. „Die Rate der De-Novo-Mutationen variiert um eine Größenordnung und ist abhängig von der Kopienzahl, der Länge der wiederholten Abschnitte und der Ähnlichkeit der Sequenz“, so das Team weiter.

Viele Mutationen treten direkt nach der Befruchtung auf

Anhand der Daten konnten die Forscher:innen auch ermitteln, wie viele individuelle Mutationen Menschen entwickeln. Sie fanden zwischen 98 und 206 Stellen im Erbgut, an denen sich die DNA einer untersuchten Person von der ihrer Eltern unterschied. Dabei handelt es sich also um nicht vererbte Mutationen, die nach der Befruchtung aufgetreten sein müssen. Durchschnittlich fanden die Forscher:innen 152 solcher nicht vererbten DNA-Mutationen innerhalb des Genoms. Um das ins Verhältnis zu setzen: Das menschliche Genom umfasst ungefähr drei Milliarden Basenpaare.

Außerdem zeigte sich, dass ein Großteil dieser individuellen Mutationen direkt nach der Befruchtung entsteht. „Wir schätzen, dass rund 16 Prozent der De-Novo-Punktmutationen postzygotisch sind. Die frühen Zellteilungen eines menschlichen Embryos sind besonders fehleranfällig“, schreiben die Wissenschaftler:innen weiter.

Eine Frage bleibt offen

Die von dem Team gewonnen Erkenntnisse könnten bei der Suche nach den Ursachen genetischer Erkrankungen helfen. Krankmachende Gendefekte in einem „Mutations-Hotspot“ würden etwa mit höherer Wahrscheinlichkeit dafür sprechen, dass es sich um eine neue Mutation handelt, die die betroffene Person erst im Laufe ihres Lebens erworben hat. Sollte die jeweilige Veränderung in einem weniger variablen Teil des Erbguts auftreten, dann wurde die Mutation mit höherer Wahrscheinlichkeit von den Eltern an das Kind vererbt.

Allerdings bleibt eine Frage offen: „ Wie verallgemeinerbar sind diese Ergebnisse über Familien hinweg, wenn man versucht, das Risiko für Krankheiten vorherzusagen oder wie sich Genome entwickeln?“, so Quinlan. Die Forscher:innen wollen nun in Folgestudien die DNA weiterer Menschen untersuchen und die genetischer Veränderungsraten verschiedener Familien miteinander vergleichen, um diese Frage zu beantworten.

via University of Utah HealthUniversity of Utah Health