Menschliche Genomstruktur

Das menschliche Genom besteht aus 23 Paaren von Chromosomen das sind jeweils einzelne DNA Moleküle. Insgesamt bestehen diese Moleküle aus 3·10⁹ bp (Basenpaaren). In diesen DNA Molekülen gibt es verschiedenene Arten von DNA-Sequenzen und zwar Einzelgenkopien (oder Abschnitte, die keine oder nur wenige Wiederholungen aufweisen), repetitive Sequenzen und spacer DNA.
Wahrscheinlich sind nur ca. 3% der DNA Protein-codierende Sequenzen. Die spacer DNA ist mehr oder weniger undefiniert und trennt die Gene voneinander.

Zerlegt man das gesamte menschliche Genom durch mechanische Scherung in Teile von jeweils ca. 500 bp umfassenden Doppelsträngen und diese anschließend durch Hitzedenaturierung in Einzelstränge, so finden die Stränge bei einer Renaturierung unterschiedlich schnell wieder zusammen. Das hängt einerseits davon ab, wie viele gleiche Kopien es von den Einzelsträngen gibt und wie ähnlich sich die Sequenzen innerhalb der Teile sind. 10% der DNA-Sequenzen finden sehr schnell zusammen, sie spiegeln die hochrepetitiven Sequenzen wieder, 30% benötigen länger, finden aber noch relativ schnell zusammen, es handelt sich bei ihnen um mittelrepetitive DNA, der Rest braucht lange, um wieder Doppelstränge zu bilden, das sind die Stränge, die nur in wenigen oder gar nur einer Kopie vorliegen. Diese 60% bestehen also aus Einzelkopien oder Teilen die in nur wenigen Kopien vorliegen.
Solche Unterschiede lassen sich auch durch Färbung sichtbar machen, was schon länger bekannt ist. Das sog. Heterochromatin, das sich in der Nähe der Centromere, an den Telomeren und auf dem Y-Chromosom befindet, ist sehr stark färbbar und besteht aus hoch repetitiver DNA. Dieser Teil enthält auch einen hohen Prozentsatz CG-Paare, wodurch man ihn auch durch Dichtezentrifugation abtrennen kann. Solche Dichtezentrifugationen führen zu einem Hauptband und drei dünneren Bändern, die deshalb den Namen Satelliten-DNA erhalten haben.

Dadurch, dass die Gene am 5´-Ende meist von CG-Inseln begleitet sind, lassen sich genreiche Regionen im Chromosom erkennen. Eine Schätzung der Anzahl der Gene im menschlichen Genom die auf den CG-Inseln fußt kommt auf 80 000 Gene. Andere Schätzungen bewegen sich heute zwischen 60000 - 80000. Nach neueren Untersuchungen nimmt man an, dass es nur ca. 30000 Gene gibt oder sogar noch etwas weniger.
 

Abb. zur Genomorganisation des Menschen Die einzelnen Klassen werden hier nicht näher erklärt. Die Abb. soll lediglich die Einteilung der verschiedenen DNA-Sequenzen in verschiedene Klassen wiedergeben. Außerdem soll die Einteilung der repetitiven Sequenzen in drei verschiedene Klassen anschaulich gemacht werden.

Repetitive Sequenzen im Genom des Menschen

Die repetitiven Sequenzen werden in drei Klassen untergliedert (s. dazu auch die obige Abb.):
1. Makrosatelliten oder einfach Satelliten-DNA: Sie bestehen aus sehr langen Sequenzen von 100en bis 1000en von bp, die ihrerseits tandemartig wiederholt werden. Die Sequenzen können mehrere 100000 bp lang sein.
2. Minisatelliten: sie sind nicht länger als 100 bis 15000 bp. 15 - 100 bp werden in ihnen tandemartig wiederholt. Die Anzahl der wiederholten Sequenzen ist sehr variabel, so dass sehr viele Menschen einer Population an demselben Genlocus heterozygot sind. Dadurch eignen sie sich dafür verschiedene Individuen voneinander zu unterscheiden. Sie bilden also Polymorphismen in der Population, die VNTR genannt werden (variable number of tandem repeats). Hierauf fußt ein Verfahren genetische fingerprints herzustellen. Die Telomeren enthalten solche Sequenzen.
3. Mikrosatelliten: in ihnen sind die tandemartig wiederholten Sequenzen noch kürzer. Meist sind sie nur 4 bp lang oder sogar weniger. Sie liegen verstreut im gesamten Genom, machen aber insgesamt etwa 0,5% des Genoms aus. Sie haben keine bekannte Funktion. Die Anzahl ihrer Wiederholungen kann sich bei der Teilung der Zelle ändern, weil bei der Transcription leicht eine Verrutschung der gepaarten DNA vorkommen kann (slippage). Dadurch sind auch sie in der Population hochpolymorph, d.h. praktisch jedes Individuum ist an diesen Orten heterozygot. Sie bilden die STRPs (short tandem repeat polymorphisms). Diese werden in der Regel in kommerziellen fingerprints verwendet. Die Trinukleotid Wiederholungen sind z.T. mit Krankheiten wie Huntington, Muskeldystrophie, u.a. verbunden.

Eukaryonten haben viele Gene vierfach. Daraus schließt man, dass in der frühen Wirbeltierevolution einmal eine Tetraploidisierung vorgekommen ist. Z.B. sind ja auch die HOX-cluster vierfach vorhanden.

Quellen:

Encyclopedia of Life Sciences, Nature, Genomorganizing/Human
S. Henikoff, u.a. Gene families, Science, okt. 97,

Für Anregungen und Kritik bin ich dankbar, Zusammenarbeit würde ich begrüßen.