Alles Gute nachträglich, Charles!

Leider stand letzte Woche soviel anderes Zeug an, dass ich keine Zeit für einen Post an Charles Darwins Geburtstag hatte. Anstatt jetzt nachträglich über einen Mann zu schreiben, über den in den letzten Wochen bereits so unheimlich viel geschrieben wurde, dass es des meisten wohl zum Hals raushängt [1], will ich kurz über ein Ereignis berichten, das letzten Donnerstag pünktlich zum Darwin Day stattfand.

Das Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie in Leipzig hat in einer Pressemeldung (Streaming-Video) die Entwurfsequenz des Neanderthalergenoms bekannt gegeben. Das ist erstmal ein wenig bedenklich, denn das Ankündigen von Ergebnissen in der Presse vor einer vollwertigen Publikation in einem peer review-Journal ist kein vorbildliches Handeln für einen Wissenschaftler. Hier kann man aber zumindest ein Auge zudrücken, denke ich - der Termin an Darwins Geburtstag war einfach zu verlockend, außerdem erfolgte die Pressekonferenz simultan auch auf dem Jahrestreffen der American Association for the Advancement of Science (AAAS), die unter anderm das Science Magazine herausgibt. Trotzdem, ein komisches Gefühl in der Magengegend bleibt.
Davon mal abgesehen ist das Ganze natürlich sehr spannend. Erst vor drei Jahren kündigte Svante Pääbo von der Abteilung Evolutionäre Genetik des MPIs an, das Neanderthalergenom sequenzieren zu wollen. Dies ist nur deshalb in so kurzer Zeit möglich (zur Erinnerung: die Arbeiten für das Humangenomprojekt in den 90ern dauerten rund 10 Jahre), weil mittlerweile neue, schnellere Sequenziermethoden zur Verfügung stehen. Diese sog. Sequenziertechnologien der zweiten Generation leiden aber alle an dem Problem, dass sie nur sehr kurze Sequenzstücke (20-50 Basenpaare) produzieren. Und hier hilft dann die harte Vorarbeit des Humangenomprojekts, denn mit dem menschlichen Referenzgenom lässt sich das Neanderthalergenom auch mit sehr kurzen Sequenzen zusammensetzen. Man erwartet nur sehr wenige Unterschiede zwischen den zwei Genomsequenzen, die Genome von Mensch und Schimpanse sind schließlich schon sehr ähnlich.
Um an Neanderthalersequenzen zu kommen, müssen jedoch erstmal mehrere Probleme vermieden werden. Verunreinigungen der Proben mit menschlicher DNA der beteiligten Forscher wären fatal, deshalb mussten die Neanderthaler-Proben in Reinraumbedingungen bearbeitet werden. Trotzdem lagen die Knochen sehr, sehr lange im Boden rum, die Proben enthalten darum jede Menge mikrobiolle DNA. Die wurde natürlich zunächst mitsequenziert, konnte aber dank bioinformatischer Methoden wieder entfernt werden: Bakterielle Genome sind im Vergleich mit dem menschlichen sehr klein, und es wurden bereits viele sequenziert. Indem die Leipziger Forscher ihre Sequenzen mit bakteriellen Genomsequenzen verglichen, konnten sie Verunreinigungen in ihren Daten erkennen und diese dann verwerfen. Diese Verunreinigungen machen ca. 90% des sequenzierten Materials aus! Wenn man dann noch bedenkt, dass die Gruppe um Svante Pääbo bei der DNA-Isolierung wegen fehlerhafter Protokolle ca. 99% Verlust hatte, dann ist es schon erstaunlich, wie weit sie in der kurzen Zeit gekommen sind.

Es muss aber ausdrücklich betont werden, dass es sich bestenfalls um eine erste Entwurfsequenz handelt. Ungefähr 60% des Genoms sind sequenziert, das aber nur einmal. Um sich gegen methodische Fehler der Sequenzierungstechnologien zu schützen, sollte jedes Nukleotid in einer Genomsequenz aber mehrmal sequenziert werden (die menschliche Referenzsequenz hat übrigens 12x Abdeckung). Ein weiteres Problem sind Sequenzunterschiede zwischen Individuen einer Art. Um die Variabilität der Genomsequenz einer Art einschätzen zu können, sollten möglichst viele individuelle Sequenzen vorhanden sein. Dies ist beim menschlichen Genom gerade im Gange, etwa mit dem Personal Genome Project oder dem 1000 Genomes Project. Sogar das erste menschliche Referenzgenom stellt in Wirklichkeit eine Mischung aus den Sequenzen von zwölf anonymen Individuen dar. Demnächst soll aber auch die Sequenzierung weiterer Neanderthaler-Proben beginnen, so dass dieses Problem wohl irgendwann behoben sein sollte.
Ein großes Problem soll auch nicht ungenannt bleiben: Durch das große Alter der Proben ist die DNA stark fragmentiert; es ist darum sehr wahrscheinlich, dass wir nie die komplette Genomsequenz des Neanderthalers erhalten werden.

Trotzdem ist es bereits mit diesen ersten Daten möglich, interessanten Fragen über das Verhältnis von Homo sapiens und Homo neanderthalensis nachzugehen. In weiten Teilen Europas lebten beide Menschenarten für mehrere tausend Jahre nebeneinander. Kam es zu einer Hybridisierung, also zu gemeinsamen Nachkommen beider Arten? Hat der heutige Mensch vielleicht sogar Neanderthaler als Vorfahren? Die bisherigen Sequenzdaten (beruhend auf mitochondrialen Sequenzen und dem Y-Chromosom) deuten eher in Richtung Nein.
Die Ausprägung des Gens MC1R (Melanocortinrezeptor 1), das das Ausmaß der Hautpigmentierung beeinflusst, zeigte, dass es möglicherweise auch hellhäutige und rothaarige Neanderthaler gab (Lalueza-Fox C et al (2007), Science 318:1453-5).

Abschließen möchte ich diesen Post mit (ja, richtig geraten) - einem Podcast! Vor ungefähr zwei Jahren, also noch relativ früh im Neanderthalergenomprojekt, wurde Svante Pääbo zusammen mit Thomas Jarvie (von 454 Life Sciences, die die Sequenziertechnologie zur Verfügung stellen) im immer guten Futures in Biotech Podcast interviewt [MP3-Link]. Ich habe das Interview seitdem nicht mehr gehört, werde aber vielleicht noch mal reinhören. Mal sehen, wie Pääbos Pläne von vor zwei Jahren mit der tatsächlichen Entwicklung mithalten konnten.

[1] Die öffentliche Aufmerksamkeit, die Darwin und Evolution gerade genießen ist sicher richtig und gut, aber ich freu mich auf die nächsten, ruhigeren Wochen. Bis es im Spätjahr dann mit dem 150jährigen Jubiläum der Origin-Veröffentlichung wieder rundgeht.

Die geplatzte Blase

Ich meine nicht die aktuelle Finanzkrise, sondern den Boom und darauf folgenden Absturz der Biotechbranche Ende der 90er Jahre. Keith Robinson hat das bei einem der damaligen Biotech-Unternehmen Millennium Pharmaceuticals hautnah miterlebt, und hat vor ein paar Tagen auf Omics! Omics! ein wenig in Erinnerungen geschwelgt.

Of course, if you have a mountain of loot you probably want to protect it. Enter the lawyers. Millennium had always filed on their discoveries; now they had lots of discoveries to protect. But protect from what? Well, the paranoia was a loss of "Freedom to Operate", usually known as FTO. Nobody knew what would stand up as a patent -- but there were instructive examples from the early biotech era of business plans sunk by a loss of FTO -- and expensive lawsuits that clearly marked that loss. So the patenting engine took off -- an expensive insurance policy against an unpredictable future.
[...]
This was the late 90's and the hype was getting thick -- we were guilty but so were others. Millennium wasn't a big pusher of high gene counts -- at least in the terms of the day (but that's another whole story), but certainly we started selling all those genes we had & the ones we extrapolated were still out there. A key part of the business model was to sell the genes many times -- if we could sell the same gene to Lilly for cardiovascular & Roche for metabolic and AstraZeneca for inflammation, all the better. Not that anything underhanded went on; we'd present the case to each company & most of the deals had exclusivity only within a therapeutic area.

Auf den Punkt mit der Genzahl ist er dann in einem weiteren Post genauer eingeganen. Woher kamen die unheimlich großen Zahlen in den Schätzungen, wieviele Gene im menschlichen Genom zu finden sind, zu einer Zeit bevor die menschliche Genomsequenz veröffentlicht war? 50 000, 100 000, oder vielleicht sogar 200 000? Wohl hauptsächlich Konkurrenz. Wenn die Biotechfirmen A und B beide mit Bioinformatik und viel Fleiß an den Sequenziergeräten Datenbanken mit menschlichen Genen zusammenstellen und diese verkaufen wollen, etwa an Pharmafirmen, welche Datenbank wird dann eher gekauft? Solange man sich nur auf grobe Schätzungen verlassen kann vorsichtshalber die mit doppelt so viel Genen. So hat sich das dann langsam hochgeschaukelt in sehr luftige Höhen. Selber schuld, wenn alle mitspielen. Umso ernüchternder war für die Kunden dann das Resultat aus dem Human Genome Project: ca. 25 000 bis 30 000 Gene, die in den letzten Jahren dann auf eher 22 000 bis 23 000 zusammengeschrumpft sind.
Das soll aber nicht heißen, dass sich nicht ein paar Leute schon in den Neunzigern darüber Gedanken gemacht hätten:

So my colleague tried a new approach, which I think was to say: we have a few percent of the human genome sequences (albeit mostly around genes of interest and not randomly sampled). How many genes have been found? And what would that extrapolate out to for the whole genome.

His conclusion was so shocking I admit I refused to believe it at first, and never quite bought into it. I think it was about 25-30K. How could the textbooks be off by 2X-3X? I could believe the other genomics companies might be optimistic in interpreting their data, but could they really be deluding themselves that much??

But, the logic was hard to assault. In order for his estimate to be low by a lot, you would have to posit that the genomic regions sequenced to date were unusually gene poor -- and that the rest of the genome was packed.

Beide Artikel sind sehr lesenswert, und schon allein deshalb interessant, weil man über die jungen Jahre der Genomik meistens nur von der Seite der akademischen Forschung hört.

Spielwiese Bioinformatik

Mit all den vielen nützlichen Werkzeugen, die die Bioinformatiker produzieren, um uns Biologen die Arbeit zu erleichtern, haben wir mittlerweile einen Punkt erreicht, der auch interessierten Laien einen spielerischen Einstieg in die Berge von Daten ermöglicht.

Ein sehr gutes Beispiel dafür ist der Genome Projector, der Genomdaten von vielen (bisher nur) Bakterienarten mithilfe dem bekannten Google Maps-Interface darstellt.
Das Referenzgenom des Laborstammes K12 von Escherichia coli (leicht in der Liste zu finden, es ist bereits mit einem Balken markiert) ist ein guter Startpunkt für jeden, der mal einen Blick reinwerfen möchte. Wer kann in der Pathway Map den Citratzyklus finden?