Naturwissenschaftliche Gesellschaft Essen Vortrag am 20 Juni 2017

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 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). Genetik und Genomik: Definition Aufeinander folgende Stufen in der Genetik 1866 - 1944 Chromosomen 1879 - 1956 DNA 1879 - 1953 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. Mc. Kusick 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. . . “ Victor A. Mc. Kusick 1921 -2010 (H. Winkler: Verbreitung und Ursache der Parthenogenesis im Pflanzen- und Tierreiche. Fischer, Jena 1920. S. 165). Teilbereiche: Funktionelle Genomik Strukturelle Genomik Epigenomik Metabolomik Proteom Transkriptom Connectom u. a. Frank H. Ruddle 1929 -2013

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, De. Vries) AB 0 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). ca. 7 m 263 Mb 50 Mb Die ca. 22. 000 Gene sind nicht sichtbar linear auf den Chromosomen angeordnet

1956: der Mensch hat 46 Chromosomen, nicht 48 Joe 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).

Entdecker der richtigen Chromosomenzahl des Menschen Albert Levan (1905 -1998) Joe Hin Tjio 1919 -2001 Arne Mu ntzing 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) Charles E. Ford (1912 -1999) und John L. Hamerton 1971 in Jerusalem

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) Theophilus S. Painter 1889 -1969 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)

Erste Bilder von Chromosomen 1879. Ein Bezug zu Genetik bestand zunächst nicht. 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

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. ) X 0 (Ford et al. ) XXY (Jacobs & Strong) XXX (Jacobs et al. ) 1960 Trisomie 13 (Pätau et al), Trisomie 18 (Edwards et al) Ph 1 - Philadelphia Chromosom als Deletion bei Chronisch-Myeloischer Leukämie (Nowell & Hungerford) 1963 5 p- Cri-du-chat Syndrom (Lejeune et al. ) 1970 Chromosomenbänderung 1973 Ph 1 eine Translokation (9 q 34; 22 q 11). (Janet Rowley) 1983 Ph 1 beteiligte Gene (ABL und BCR) (Bartram & Bootsma) 1990 Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) 1996 Multicolor Spektral Karyotypisierung 2000 Mikro-Array Analyse

Präziser Nachweis einer Chromosomenstörung Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (A. Bolzer et al. , PLo. S Biol 3(5): e 157, 2005)

DNA (Deoxyribo Nucleic Acid) – das genetische Information tragende Molekül Struktur aus kristallographischen Daten und Modelbau abgeleitet.

Discoverers of the structure of DNA 1953 Watson und Crick DNA Model James D. Watson, born 1928 Francis H. Crick 1916 -2004 Die entscheidende Röntgen-kristallographische Aufnahme von B-DNA (photo 51) von Rosalind E. Franklin. DNA ist eine Helix 1920 -1958 1916 -2004 Rosalind Franklin University Chicago

Stufen der Entwicklung zur genetischen Information (1) 1869 1871 Friedrich Miescher in Tübingen entdeckt einen Extrakt aus weißen Blutkörperchen („Nuclein“) Veröffentlichung: Miescher, F. Über die chemische Zusammensetzung der Eiterzellen. Med. -Chem. Unters. 4, S. 441– 460 1884 Albrecht Kossel: Nuclein 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“ Vier Nukleotidbasen Friedrich Miescher 18441895 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) Phosphate Zucker

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“) (Griffith F: The significance of pneumococcal types. Journal of Hygiene 27 S. 113 – 59, Januar 1928. ) Durch Hitze abgetötete S Bakterien verändern (transformieren) R

Stufen der Entwicklung zur genetischen Information (3) 1944 Oswald Avery, Colin M. Mac. Leod und Maclyn Mc. Carty, am Rockefeller Institute New York entdecken, dass DNA das transformierende Prinzip von Griffith ist. Oswald Avery (1877 -1955) (Oswald T. Avery, Colin M. Mac. Leod und Maclyn Mc. Carty: 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). DNA Doppelhelix Bildung von zwei identischen Molekülen bei jeder Zellteilung (Replikation) 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

Genomic resolution G banding [> 4 Mb] Microarray from 1 base pair (bp) to 10 megabase (Mb) FISH (Fluorescence in-situ Hybridization) 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 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)

Molekulare Charakterisierung von Genen mit krankheits-auslösenden Mutationen 1981 -2001 (L. Peltonen & V. A. Mc. Kusick, Science 291: 1224 -1229, 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

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

Genom-weite Assoziationsstudien prüfen die Assoziation von ca. 3 -12 Millionen über das gesamte Genom verteilten SNPs (Single Nucleotid Polymorphismus) und einer Erkrankung oder 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 6 p 21. 3) zeigt das Gen PTPN 22 und zwei zusätzliche Gene TRAF 1 und Complementfaktor 5 eine Assoziation. (aus E. Passarge: Color Atlas of Genetics, 4 th ed. , Thieme Medical Publishers, Stuttgart-New York, 2013, nach R. M. Plenge, N Eng J Med 357: 1199 -1209, 2007)

Etwa 600 Genomweite Assoziationsstudien bei 150 verschiedenen Erkrankungen mit ca. 800 signifikanten SNP-Krankheits-Assoziationen. Interactive Version dieser Abb. verfügbar 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/NEJMra 0905980.

Gesamt-Genom-Analysen von genetischen Varianten und ihre Beziehungen zu Krankheiten bei 14 000 Individuen (GWAS Catalog von 2999 Publikationen und 37401 Assoziationen). (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)

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 Ø Wahrnehmbare Stufen wissenschaftlicher Erkenntnisse in Genetik und Genomik Ø Beispiele: Chromosomen DNA Analyse des gesamten Genoms Ø Kürzere zeitliche Abstände neuer Erkenntnisse Ø Verbindung molekularer und funktioneller Beziehungen Weitere Einzelheiten finden sich in: Ø Einführung neuer Methoden Ø Automatisierte Verfahren Ø Große Studienzahlen Ø Gewinnung nicht erwarteter diagnostischer Befunde 2013