Naturwissenschaftliche Gesellschaft Essen

Vortrag am 20. Juni 2017 im Haus der Technik Essen

Stufen der wissenschaftlichen Entwicklung

in Genetik und Genomik

Eberhard Passarge

Prof. Dr.med., Emeritus Direktor

Institut für Humangenetik, Universitätsklinikum Essen

Genetik und Genomik: Definition

Aufeinander folgende Stufen in der Genetik 1866 - 1944

Chromosomen 1879 - 1956

DNA 1879 - 1953

In Structure of Scientific Revolutions (Struktur wissenschaftlicher Revolution) beschreibt

Thomas S. Kuhn (1922-1996) zuerst 1962 wissenschaftlichen Fortschritt als Abfolge

von Paradigmen und Paradigmenwechsel (Revolution).

Analyse des gesamten Genoms 2007-2017

Genetik (Genetics)

1906 Begriff vorgeschlagen

von William Bateson.

„For this new biological devoted

to the investigation of heredity and variation“

1909 „Among the biological sciences

the study of genetics occupies a central position.”

(1861-1926).

Genomik (Genomics)

1987 Name Genomics eingeführt und als Namen

für eine neue Zeitschrift verwendet

von V.A. McKusick und F.H. Ruddle

Abgeleitet von Genom (H. Winkler 1920).

Gesamtheit aller Erbanlagen.

„Ich schlage vor, für den haploiden Chromosomensatz,

der im Verein mit dem zugehörigen Protoplasma die materielle

Grundlage der systematischen Einheit darstellt, den Ausdruck:

das Genom zu verwenden...“ (H. Winkler: Verbreitung und Ursache der Parthenogenesis im Pflanzen- und

Tierreiche. Fischer, Jena 1920. S. 165).

Victor A. McKusick 1921-2010

Frank H. Ruddle 1929-2013

Teilbereiche:

Funktionelle Genomik

Strukturelle Genomik

Epigenomik

Metabolomik

Proteom

Transkriptom

Connectom u.a.

Stufe 1 der Entwicklung der Genetik:

Gregor Johann Mendel (1822-1884)

1866 Versuche über Pflanzen-Hybriden. Verhandlungen des

naturforschenden Vereines in Brünn. Band IV

(Abhandlungen 1865), Brünn 1866, S. 3-47.

Ab 1856 systematische Kreuzungsexperimente an Erbsen (Pisum sativum)

Mendel´sche Gesetzmäßigkeiten an sieben unabhängigen Merkmalen

Praktisch unbeachtet bis 1900

Frühe Stufen der Entwicklung in Genetik und Genomik

1888 Chromosomen könnten „hereditäre Faktoren“ sein (Theodor Boveri)

1900 Wiederentdeckung der Ergebnisse von Mendel (Correns, Tschermak, DeVries)

AB0 Blutgruppensystem (Landsteiner)

1902 „Inborn Errors of Metabolism“ (A. Garrod)

1906 Begriff „Genetik“ vorgeschlagen von William Bateson (1861-1926).

„For this new biological devoted to the investigation of heredity and variation“

1909 Begriffe „Gen“, „Genotyp“, „Phänotyp“ (Wilhelm Johannsen)

1909 Beginn systemischer genetischer Analysen an Drosophila melanogaster

(Thomas H. Morgan, C. Sturtevant, C.B. Bridges, H.J. Muller)

1916 Chromosomentheorie der Genetik (T.H. Morgan)

1922 Trisomien bei Datura stramonium (F. Blakeslee)

1941 Genetische Kontrolle von enzymatischen biochemischen Vorgängen in Zellen

(Beadle & Tatum)

1943 Mutationen bei Bakterien (Luria & Delbrück)

1944 DNA überträgt genetische Information

Lichtmikroskopische Darstellung der Chromosomen des Menschen aus einer Blutzelle

(Lymphocyt) während der Zellteilung (Mitose). Paarweise angeordnet (1-22, X, Y).

Die ca. 22.000 Gene sind nicht sichtbar linear auf den Chromosomen angeordnet

ca. 7 m

263 Mb

50 Mb

1956: der Mensch hat 46 Chromosomen, nicht 48Joe Hin Tjio & Albert Levan, Lund

The chromosome number of man. Hereditas 42: 1-6, 1956

Ford, C. E. and Hamerton, J. L.: The chromosomes of man. Nature 178, 1020-1023 (1956).

Arne Muntzing ca. 1952: “earlier that year Doctors Eva

and Yngve Melander working on normal human fetal

cells

had problems with their chromosome preparation

as they could only find cells with incomplete chromosome

plates, the maximum number being 46.”

(May Hultén, 1982)

Albert Levan (1905-1998) Joe Hin Tjio 1919-2001

Charles E. Ford (1912-1999) und

John L. Hamerton

1971 in Jerusalem

Entdecker der richtigen Chromosomenzahl des Menschen

Die falsche Chromosomenzahl des Menschen galt 35 Jahre (1921-1956)

„In my own materials the counts range from 45 to 48 apparent chromosomes,

although in the clearest plates so far studied only 46 chromosomes

have been found.” (T.S. Painter 1921)

Camera lucida drawing of a human spermatogonial metaphase made by Theophilus

S. Painter. The drawing presumably shows 48 chromosomes.

The cytological methods used were stateof the art for the time,

but it is still difficult, if not impossible, to make an exact count.(T. C. Hsu 1962)

Theophilus S. Painter

1889-1969

Walther Flemming, Kiel

(1843-1905).

1878 Mitose, Chromatin

1882 Chromosomen

in Mitose

Flemming, W. Zur Kenntniss der Zelle und ihrer Theilungs-Erscheinungen.

Schriften des Naturwissenschaftlichen Vereins für Schleswig-Holstein 3 (1878), 23-27

Erste Bilder von Chromosomen 1879.

Ein Bezug zu Genetik bestand zunächst nicht.

Stufen der Entwicklung der Kenntnis über Chromosomen

1878 Walther Flemming: Mitose, Chromatin, Verwendung neuer Anilinfarben

1879 Mitosefiguren Photos

1888 Waldeyer: Chromosom

1902 Individualität von Chromosomen (T. Boveri)

1923 48 Chromsomemen beim Menschen T. S. Painter)

1956 46 Chromosomen (Tjio & Levan; Ford et al)

1959 Trisomie 21 (Lejeune et al.)

X0 (Ford et al.)

XXY (Jacobs & Strong)

XXX (Jacobs et al.)

1960 Trisomie 13 (Pätau et al), Trisomie 18 (Edwards et al)

Ph1 - Philadelphia Chromosom als Deletion bei Chronisch-Myeloischer Leukämie

(Nowell & Hungerford)

1963 5p- Cri-du-chat Syndrom (Lejeune et al.)

1970 Chromosomenbänderung

1973 Ph1 eine Translokation (9q34; 22q11). (Janet Rowley)

1983 Ph1 beteiligte Gene (ABL und BCR) (Bartram & Bootsma)

1990 Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH)

1996 Multicolor Spektral Karyotypisierung

2000 Mikro-Array Analyse

(A. Bolzer et al., PLoS Biol 3(5):e157, 2005)

Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung

Präziser Nachweis einer Chromosomen-störung

DNA (Deoxyribo Nucleic Acid) – das genetische Information tragende Molekül

Struktur aus kristallographischen Daten und Modelbau abgeleitet.

Francis H. Crick 1916-2004

James D. Watson, born 1928

1920-1958

1916-2004

Discoverers of the structure of DNA 1953

Watson und Crick

DNA Model

Die entscheidende

Röntgen-kristallographische

Aufnahme von B-DNA (photo 51)

von Rosalind E. Franklin.

DNA ist eine Helix

Rosalind Franklin University Chicago

Stufen der Entwicklung zur genetischen Information (1)

1869 Friedrich Miescher in Tübingen

entdeckt einen Extrakt aus weißen Blutkörperchen

(„Nuclein“)

1871 Veröffentlichung: Miescher, F. Über die chemische

Zusammensetzung der Eiterzellen. Med.-Chem. Unters. 4, S. 441–460

1884 Albrecht Kossel: Nuclein ein polymeres Molekül

1899 Name „Nucleinsäure“, Richard Altmann

1929 Levine erkennt vier Bausteine der Nukleinsäure.

ein Zucker (Desxoyribose), Phosphatsäurereste,

und vier organische Basen (Adenin, Guanin, Cytosin, Thymin),

benannt als „Nukleotid“

Sofern wir (…) annehmen wollten,

dass eine einzelne Substanz (…)

auf irgendeine Art (…) die spezifische

Ursache der Befruchtung sei,

so müsste man ohne Zweifel vor allem

an das Nuclein denken.“ –

Friedrich Miescher (1874)

Friedrich Miescher

18441895

Phosphate

Zucker

Vier

Nukleotidbasen

Stufen der Entwicklung zur genetischen Information (2)

1928 Frederick Griffith (1877-1941) entdeckt, dass ein zellfreier

Extrakt aus Pneumokokken diese verändern können.

Typ S (Smooth) krankheitserregend

Typ R (Rough) nicht

Fred Griffith mit „Bobby“

Bei Brighton.

Eines der wenigen Photos

von Griffith mit Genehmigung

von Joshua Lederberg.

Griffith stirbt 1941 bei einem

Bombenangriff auf London

(„Blitz“)

Durch Hitze abgetötete S Bakterien verändern (transformieren) R

(Griffith F: The significance

of pneumococcal types.

Journal of Hygiene 27

S. 113–59, Januar 1928.)

Stufen der Entwicklung zur genetischen Information (3)

1944 Oswald Avery, Colin M. MacLeod und Maclyn McCarty,

am Rockefeller Institute New York entdecken, dass

DNA das transformierende Prinzip von Griffith ist.

Oswald Avery (1877-1955)

(Oswald T. Avery, Colin M. MacLeod und Maclyn McCarty: Studies on the chemical nature of the

substance inducing transformation of pneumococcal types. Induction of transformation by a

desoxyribonucleic acid fraction isolated from pneumococcus type III.

Journal of Experimental Medicine. Bd. 79, Nr. 2, S. 137–158, 1944)

DNA: Genetische Information wird linear gespeichert

durch die Abfolge von vier Buchstaben (A,T,G,C)

in Wörtern (Codons) von je 3 Buchstaben.

Stets liegt A gegenüber T (A-T) und C gegenüber G (C-G).

Bildung von zwei

identischen

Molekülen

bei jeder

Zellteilung

(Replikation)

DNA Doppelhelix

Deoxyribo Nucleic Acid

Weitere Stufen der wissenschaftlichen Entwicklung nach Aufklärung 1953

der DNA Struktur als Doppelhelix (Überblick) bis ca. 2007

1954 DNA Reparatur

1955 Erste genetische Kartierung bei Bakteriophagen

1961 Genetischer Code in Triplets

1966 Genetischer Code vollständig erkannt

1968 Restriktionsenzyme

1960 Onkogene

1970 Reverse Transkriptase (eine genetische Revolution: RNA DNA Protein)

1973 Rekombinante DNA Techniken

1975 Southern Blot (Spezifische Identifizierung von DNA Fragmenten)

1977 Sequenzierung on DNA

1978 Exons und Introns (codierende und nicht-codierende Abschnitte in eukaryoten Genen)

1982 Tumor Suppressor-Gene

1985 Polymerase-Kettenreaktion (Vermehrung kleinster Mengen von DNA)

1986 Erste molekulare Identifizierung menschlicher Gene

1988 Humangenom-Project (HGP) vorgeschlagen

1990 HGP beginnt

1999 Erstes Chromosom beim Menschen sequenziert

2001 HPG erste Stufe erreicht

2004 HGP beendet

2005 Automatische DNA-Sequenzierungen

2006 Alle Chromosomen des Menschen sequenziert

2007 Genomweite Studien beginnen

G banding [> 4 Mb] FISH (Fluorescence in-situ Hybridization)

Genomic resolution from 1 base pair (bp) to 10 megabase (Mb)

Microarray DNA sequence [1 bp]

Genetische Tests von Teilen von Tausenden von DNA Fragmenten (Genen)

auf kleiner Oberfläche (2 x 2 cm)

(Mikroarrays - „DNA Chips“)

Features of the human chromosome 6 DNA sequence

• 166,880,988 base pairs; 1557 genes (287 new), 633 pseudogenes.• Gene density: 9.2 genes per Mb (1 million base pairs), except MHC with 43.• Segmental duplications: 65 clusters. 223 genes (14%) arisen by duplication.• Ca. 70,000,000 bp (42.2%) occupied by genes.• 130 genes predispose or protect from disease.• 84% of genes (80% of exons) in regions of conservation• 183,019 SNPs, of these 2761 in protein-coding exons

(A.J. Mungall: The DNA sequence and analysis of human chromsome 6.Nature 425: 905-811, 2003)

(L. Peltonen & V.A. McKusick, Science 291: 1224-1229, 2001)

Molekulare Charakterisierung von Genen

mit krankheits-auslösenden Mutationen 1981-2001

Individuelle Sequenzunterschiede sind häufig (SNP, Single Nucleotide Polymorphismus)

Individuum 1 ATGCGGCGATTGCCATGGGTA

Individuum 2 ATGCGGCCATTGCCATGGGTA

Individuum 3 ATGCGGCGATTGCCATAGGTA

Individuum 4 ATGCGGCGATTGCGATGGGTA

SNP (Single Nucleotide Polymorphism)

Ein oder mehrere SNPs können eine bestimmte Krankheitsneigung anzeigen

The chromosomal locations of 1,447 CNVRs are indicated by lines to either side of ideograms. Green lines denote CNVRs

associated with segmental duplications; blue lines denote CNVRs not associated with segmental duplications. The length of

right-hand side lines represents the size of each CNVR. The length of left-hand side lines indicates the frequency that a CNVR is

detected (minor call frequency among 270 HapMap samples). When both platforms identify a CNVR, the maximum call

frequency of the two is shown. For clarity, the dynamic range of length and frequency are log transformed (see scale bars). All

data can be viewed at the Database of Genomic Variants (http://projects.tcag.ca/variation/).

(Redon R et al. Global variation in copy number in the human genome. Nature 444: 444-454, 2006)

Variante Anzahl von duplizierten DNA Abschnitten (Copy Number Variation, CNV)

Genom-weite Assoziationsstudien prüfen die Assoziation von ca. 3-12 Millionen

über das gesamte Genom verteilten SNPs (Single Nucleotid Polymorphismus)

und einer Erkrankung oder der Neigung zu einer Erkrankung.

Graphisch dargestellt als „Manhattan Plot“

317503 SNPs bei 1522 Individuen mit Rheumatoider Arthritis gegenüber 1850 Kontroll-

Personen. Neben der bekannten MHC Region (Major Histocompatibility Region 6p21.3)

zeigt das Gen PTPN22 und zwei zusätzliche Gene TRAF1 und Complementfaktor 5 eine

Assoziation. (aus E. Passarge: Color Atlas of Genetics, 4th ed., Thieme Medical Publishers, Stuttgart-New York, 2013,

nach R.M. Plenge, N Eng J Med 357: 1199-1209, 2007)

Figure 3. Genomewide Associations Reported through March 2010.

Circles indicate the chromosomal location of nearly 800 single-nucleotide polymorphisms (SNPs) significantly

associated (P<5×10−8) with a disease or trait and reported in the literature (545 studies published through March

2010 yielded the associations depicted). Each disease type or trait is coded by color. Adapted from the National Human Genome Research Institute.

(Manolio, Teri A.: Genomewide association studies and assessment of the risk of disease. N Engl. J Med 363: 166-176, 2010).

Interactive Version dieser Abb. bei www.nejm.org/doi/full/10.1056/NEJMra0905980.

Etwa 600 Genomweite Assoziationsstudien bei 150 verschiedenen Erkrankungen

mit ca. 800 signifikanten SNP-Krankheits-Assoziationen.

Interactive Version dieser Abb. verfügbar

(Manolio T.A. In Retrospect: A decade of shared genomic associations.

Nature 546: 360-361, 15 June 2017. (www.ebi.ac.uk/gwas)Wellcome Trust Case Control Consortium (WTCCC)

Gesamt-Genom-Analysen von genetischen Varianten und ihre Beziehungen zu Krankheiten

bei 14 000 Individuen (GWAS Catalog von 2999 Publikationen und 37401 Assoziationen).

Der römische Brunnen (7. Fassung, 1882)

Aufsteigt der Strahl, und fallend gießt

er voll der Marmorschale Rund,

die, sich verschleiernd, überfließt

in einer zweiten Schale Grund;

die zweite gibt, sie wird zu reich,

der dritten wallend ihre Flut,

und jede nimmt und gibt zugleich

und strömt und ruht.

Conrad Ferdinand Meyer (1825-1898)

Take Home Message

Wahrnehmbare Stufen wissenschaftlicher Erkenntnisse in Genetik und Genomik

Beispiele: Chromosomen

DNA

Analyse des gesamten Genoms

Kürzere zeitliche Abstände neuer Erkenntnisse

Verbindung molekularer und funktioneller Beziehungen

Einführung neuer Methoden

Automatisierte Verfahren

Große Studienzahlen

Gewinnung nicht erwarteter diagnostischer Befunde

2013

Weitere Einzelheiten

finden sich in: