DNA Analyse – Dem Leben auf der Spur
DNA Analysen üben einen besonderen Reiz aus, suggerieren sie doch nicht weniger, als dem lieben Gott in die Karten schauen zu können. Verwandte finden, Kriminelle überführen, Krankheiten frühzeitig entdecken oder gar ihren Ausbruch verhindern – die Erwartungen an die Möglichkeiten der DNA Analyse sind gewaltig. Molekulargenetiker haben verschiedene Werkzeuge zur Hand, um den endlosen Buchstabenreihen der DNA ein paar ihrer Geheimnisse zu entlocken.
1. Was ist eine DNA Analyse?
Eine Vielzahl molekularbiologischer Verfahren befasst sich mit Untersuchungen des Erbguts, der DNA (engl. deoxyribonucleic acid). Ihr gemeinsames Ziel ist die Aufdeckung von bestimmten Merkmalen oder von Abweichungen in der DNA-Sequenz eines Organismus (Link: Was ist Gentechnik). Die Nukleinsäureanalytik basiert im Wesentlichen auf zwei Prinzipien: Sequenzanalyse und Fragmentlängenanalyse. Auch die als „Gentest“ bezeichneten Vaterschafts- und Verwandtschaftsanalysen gehören zu den Methoden der DNA Analyse.
2. Methoden der DNA Analyse
Die DNA ist ein Makromolekül, das bei Menschen, Tieren und Pflanzen in Form von Chromosomen im Zellkern vorliegt. Aneinandergereiht sind die DNA-Stränge einer menschlichen Zelle etwa 2 m lang und bestehen aus rund 3 Milliarden Basenpaaren (Link: Wie lang ist ein DNA-Strang). Hier ist die genetische Information für 23.000 Gene gespeichert. Der größte Anteil der menschlichen DNA besteht aus Bereichen, die keine Gene enthalten und deren Funktion nicht immer bekannt ist. Trotz dieser schwer vorstellbaren Dimensionen ist es kinderleicht, DNA aus Zellen herauszulösen, es ist ein beliebter Schulversuch.
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DNA-Isolation
DNA Analysen beginnen immer mit der Isolierung des Erbmaterials aus den Zellen. Als Ausgangsmaterial kommen je nach Organismus und Fragestellung unterschiedliche Gewebe in Frage. Prinzipiell kann aus jedem Gewebe, dass intakte Zellkerne enthält, DNA gewonnen werden. Für medizinische Zwecke wird DNA häufig aus Blutproben extrahiert, in den Pflanzenwissenschaften werden zumeist Blätter verwendet. Laboratorien nutzen für die DNA-Isolation spezielle Sets aus Reagenzien, sogenannte Kits, um die DNA von den übrigen Zellbestandteilen zu trennen und für nachfolgende Arbeitsgänge optimal aufzubereiten. Das Resultat einer DNA-Isolation ist eine kleine Menge in Flüssigkeit gelöster DNA.
PCR
Das isolierte Material enthält die vollständige genetische Information eines Organismus, der Forscher interessiert sich aber in der Regel nur für einen oder wenige kurze Teilbereiche der Gesamt-DNA. Außerdem ist die extrahierte Menge zu gering, um weitere Analysen durchzuführen. Daher werden die gewünschten DNA-Abschnitte mit Hilfe der PCR (eng. polymerase chain reaction) gezielt vervielfältigt bzw. angereichert.
Bereits durch die PCR lassen sich erste Erkenntnisse über das untersuchte Objekt gewinnen, beispielsweise kann manchmal schon nach der PCR eine Aussage über das Vorhandensein oder das Fehlen eines Gens getroffen werden. Moderne, spezialisierte PCR-Verfahren bieten weitere Möglichkeiten, sie erlauben unter anderem Rückschlüsse auf Ort, Zeitpunkt oder Menge eines Gen-Produkts. Das Resultat einer PCR ist ein Gemisch unterschiedlich großer, in Flüssigkeit gelöster DNA-Fragmente, wobei das gewünschte Fragment mengenmäßig überwiegt.
Elektrophorese
Die in einer PCR oder einem anderen Verfahren erzeugten DNA-Fragmente lassen sich der Größe nach auftrennen, indem man die gelöste DNA in ein Trägermedium wie Agarose oder Polyacrylamid einbringt und einer elektrischen Spannung aussetzt. Durch ihre negative Ladung wandern die Fragmente mit unterschiedlicher Geschwindigkeit durch das Trägermedium zum elektrischen Pol. Kleine Fragmente wandern schneller, größere langsamer. Auf diese Weise entsteht ein sichtbares Muster, das die Zuordnung und den Zugriff auf ein gewünschtes Fragment ermöglicht.
Sequenzanalyse
Das durch eine PCR angereicherte Fragment kann nun in einer Sequenzierung eingesetzt werden. Hier wird die Reihenfolge der Nukleotide des Teilstücks entschlüsselt. Das Resultat einer Sequenzierung ist eine digitalisierte Buchstabenabfolge, die DNA-Sequenz, die nun mit Hilfe von Computerprogrammen weiter analysiert werden kann. Um DNA-Sequenzen identifizieren und bewerten zu können, werden Vergleiche mit bekannten Sequenzen des gleichen Typs durchgeführt. Nationale und internationale Datenbanken halten unzählige DNA-Sequenzen sowie wertvolle Zusatzinformationen für die DNA Analyse bereit.
In den letzten Jahren wird zunehmend auch das Next Generation Sequencing (NGS) eingesetzt. Hochtechnisierte Verfahren bewältigen die Sequenzierung eines vollständigen Genoms oder eines zusammengehörigen Sets aus bekannten Genen parallel und in relativ kurzer Zeit.
Fragmentlängenanalyse
Die vergleichende Analyse von Teilstücken der DNA ist eine indirekte Methode, um Informationen über den Charakter einer DNA-Sequenz zu erhalten. In etablierten Systemen liefert sie schnell und einfach aussagekräftige Ergebnisse, ohne dass eine aufwändige und kostenintensive Sequenzierung notwendig wäre.
Es existieren verschiedene methodische Verfahren, einige von ihnen werden als „Genetischer Fingerabdruck“ genutzt.
Um die riesigen DNA-Moleküle in kleinere Fragmente zu zerlegen, kennen Molekularbiologen mehrere Wege: Physikalisch durch Ultraschall, biochemisch durch Restriktionsenzyme (Link: Rote Gentechnik), gezielt durch PCR-Primer. Das Resultat der Behandlung ist ein Gemisch von DNA-Fragmente unterschiedlicher Länge. Nach einer elektrophoretischen Auftrennung des Gemischs können sich typische, sogar individuelle Muster aus Banden von einem oder mehreren DNA-Abschnitten ergeben. Bekannte Fragmentlängenanalysen sind:
- RFLP (engl. restriction fragment lenght polymorphism): Die Fragmentierung der DNA wird durch Restriktionsenzyme herbeigeführt, die an definierten Sequenzmotiven den Nukleinsäurestrang durchtrennen. Die Schnittstellen können individuell leicht verschoben sein, solche Variationen eines DNA-Bereichs heißen auch Polymorphismus.
- STR (engl. short tandem repeats): Chromosomen enthalten Zonen, in denen sich kurze Sequenzmotive wiederholen (Mikrosatelliten). Die Position solcher STR ist typisch und sie können mit Hilfe spezifischer Primer gezielt untersucht werden. Die Anzahl der Wiederholungen geeigneter STR ist so individuell wie ein Fingerabdruck und spiegelt sich in der Länge des erzeugten Fragments wider.
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3. Wer führt DNA Analysen durch?
Berufsgruppen, die sich mit DNA Analysen beschäftigen, sind hauptsächlich Mediziner, Biologen, Pharmazeuten oder Tier- und Pflanzenzüchter. Solche Personen arbeiten an Forschungsinstituten, an Hochschulen oder in Unternehmen aus dem Biotech- und Life Science Sektor. Eine besonders große Bedeutung haben DNA Analysen in der medizinischen Diagnostik.
Kommerzielle Anbieter versprechen als Dienstleistung die Aufdeckung von Verwandtschaftsverhältnissen, der Veranlagungen für Krankheiten und sogar für die Wahrscheinlichkeit der Vererbung von Talenten. Die Kosten für solche Angeboten liegen aktuell je nach Aufwand etwa zwischen 70 und 400 Euro pro Analyse. Damit verbunden ist oftmals die Probenverschickung und Datenüberlassung ins Ausland. In Deutschland unterliegen genetische Untersuchungen am Menschen dem Gendiagnostikgesetz. Dieses stellt unter anderem sicher, dass DNA Analysen nur mit Einwilligung aller Beteiligten durchgeführt werden und regelt Fragen zur Speicherung und Nutzung von Daten.
