Das Humangenomprojekt
Vertiefung zum ThemaKrankheitsgene
2003 meldeten Zeitungen: Das menschliche Erbgut ist entschlüsselt. Ganz stimmte das nicht – die letzten Lücken wurden erst 19 Jahre später geschlossen. Die Geschichte des Humangenomprojekts zeigt, wie Wissenschaft im großen Stil funktioniert: mit Wettlauf, Zusammenarbeit und offenen Fragen bis heute.
Einfach erklärt
Diese Seite vertieft das Thema Krankheitsgene. Das Humangenomprojekt ist ein großes Forschungsprojekt. Es läuft von 1990 bis 2003. Forschende aus vielen Ländern arbeiten zusammen. Sie lesen das ganze Erbgut vom Menschen. Das ganze Erbgut heißt Genom. Es hat rund drei Milliarden Bausteine.
2003 melden die Zeitungen: Das Erbgut ist entschlüsselt. Doch es fehlen noch rund 8 Prozent. Lückenlos lesen Forschende ein Genom erst 2022.
Das Wichtigste:
- Das Projekt kostet ungefähr 3 Milliarden US-Dollar.
- Vor dem Projekt rechnen viele Fachleute mit 100.000 Genen. Heute zählt man etwa 19.400 bis 20.000. Gene sind Abschnitte mit Bauplänen für Eiweiße.
- Ein einzelnes Genom zeigt nicht die Vielfalt von allen Menschen. Deshalb gibt es heute eine Sammlung mit vielen Genomen.
- Von Anfang an erforscht das Projekt auch ethische Fragen. Ein Beispiel: Wem gehören genetische Daten?
Merke: Entschlüsselt heißt nicht verstanden.
Kurz gesagt
Das Humangenomprojekt war ein internationales Forschungsprojekt (1990 bis 2003), das die Basenfolge des menschlichen Erbguts bestimmte. 2001 erschien ein Entwurf, 2003 wurde das Genom mit rund 92 Prozent der Sequenz für „im Wesentlichen fertig“ erklärt. Das Projekt kostete laut US-Genomforschungsinstitut NHGRI ungefähr 3 Milliarden US-Dollar. Lückenlos ist ein menschliches Genom erst seit 2022 bekannt.
Das lernst du hier
- Ziele, Ablauf und wichtige Etappen des Humangenomprojekts beschreiben,
- erklären, warum das Genom 2003 noch nicht vollständig war,
- die Entwicklung der geschätzten Genzahl auswerten,
- Bedeutung und ethische Fragen des Projekts beurteilen.
Was war das Humangenomprojekt?
Ziel des Humangenomprojekts (englisch Human Genome Project) war es, die Abfolge der rund drei Milliarden Basenpaare im menschlichen Erbgut zu bestimmen. Es lief von 1990 bis 2003 und war damit zwei Jahre früher fertig als ursprünglich geplant. Beteiligt waren Forschende an 20 Universitäten und Forschungszentren in den USA, Großbritannien, Frankreich, Deutschland, Japan und China, zusammengeschlossen im Internationalen Humangenom-Sequenzierungskonsortium.
Veranschlagt waren 3 Milliarden US-Dollar für 15 Jahre. Eine exakte Abrechnung ist schwierig, laut NHGRI liegt diese grobe Summe aber nah an den tatsächlichen Kosten. Gelesen wurde übrigens nicht das Erbgut eines einzigen Menschen: Rund 70 Prozent der ursprünglichen Referenzsequenz stammen von einer Person, die restlichen 30 Prozent von 19 weiteren Menschen, überwiegend mit europäischen Vorfahren. Wie die eigentliche Lesearbeit funktioniert, erklärt die Seite zur DNA-Sequenzierung.
Zeitleiste: von 1990 bis zum lückenlosen Genom
1998 verkündete die Firma Celera Genomics unter Craig Venter, das Genom schneller und mit einer anderen Methode zu entschlüsseln. Aus dem Wettlauf wurde schließlich eine gemeinsame Bühne: Am 26. Juni 2000 stellten US-Präsident Bill Clinton und der britische Premierminister Tony Blair den Rohentwurf vor. Im Februar 2001 erschienen die Entwürfe beider Gruppen fast gleichzeitig in den Fachzeitschriften Nature (öffentliches Konsortium) und Science (Celera).
Am 14. April 2003 wurde das Genom für „im Wesentlichen fertig“ erklärt: Die Sequenz umfasste etwa 92 Prozent des Genoms mit weniger als 400 Lücken. 2004 beschrieb das Konsortium die verfeinerte Fassung genauer: 2,85 Milliarden Basen, nur noch 341 Lücken, rund 99 Prozent des genreichen, locker gepackten Teils (Euchromatin). Ein wichtiger Grundsatz des öffentlichen Projekts war, die Daten schnell und frei zugänglich zu veröffentlichen. Diese Regeln wurden auf einem Treffen auf den Bermudas festgelegt und heißen deshalb Bermuda-Prinzipien.
Wusstest du?
Für die letzten 8 Prozent des Genoms brauchte die Forschung fast doppelt so lange wie das Humangenomprojekt für die ersten 92 Prozent. Die Lücken lagen in langen, sich wiederholenden Abschnitten, etwa in den Zentromeren. Erst Verfahren, die über 100.000 Basen am Stück lesen, konnten sie schließen.
Was kam heraus? Weniger Gene als gedacht
Eine der größten Überraschungen war die Zahl der Gene. Vor dem Projekt rechneten viele Fachleute mit etwa 100.000 Genen – schließlich ist der Mensch ein komplexes Lebewesen. Die Schätzungen schrumpften mit jeder genaueren Auswertung:
| Zeitpunkt | geschätzte Zahl proteincodierender Gene | Grundlage |
|---|---|---|
| 1990er-Jahre | etwa 100.000 | grobe Schätzungen vor der Sequenzierung |
| 2001 | 30.000 bis 40.000 | Entwurf des Genoms |
| 2004 | 20.000 bis 25.000 | verfeinerte Sequenz |
| heute | etwa 19.400 bis 20.000 | Genkataloge GENCODE (19.442 in Version 50) und Ensembl |
Damit hat der Mensch kaum mehr proteincodierende Gene als manche viel einfacher gebauten Tiere. Die Komplexität entsteht offenbar weniger durch die Zahl der Gene als durch ihre Regulation: wann, wo und wie stark sie abgelesen werden, und dass aus einem Gen durch alternatives Spleißen mehrere Proteine entstehen können. Nur etwa 1,5 Prozent des Genoms codieren für Proteine. Wie man in diesem riesigen Text die Ursache einer Krankheit findet, zeigt das Hauptkapitel Welches Gen ist verantwortlich?.
Merke
Das Humangenomprojekt (1990–2003) lieferte die erste Referenzsequenz des menschlichen Genoms: Entwurf 2001, „im Wesentlichen fertig“ 2003 mit ca. 92 Prozent. Der Mensch hat nur etwa 19.400 bis 20.000 proteincodierende Gene. Das erste lückenlose Genom folgte 2022 (T2T), das Y-Chromosom 2023.
Nach dem Projekt: lückenloses Genom und Pangenom
Am 31. März 2022 veröffentlichte das Telomere-to-Telomere-Konsortium (T2T) die erste vollständige Sequenz eines menschlichen Genoms, von einem Chromosomenende (Telomer) zum anderen. Sie umfasst 3,055 Milliarden Basenpaare für alle Chromosomen außer Y. Neu hinzu kamen fast 200 Millionen Basenpaare – genau die rund 8 Prozent, die bis dahin fehlten – mit 1.956 vorhergesagten Genen, von denen 99 vermutlich Proteine codieren. 2023 folgte das vollständige Y-Chromosom.
Ein einzelnes Referenzgenom hat aber eine Schwäche: Es kann die Vielfalt der Menschheit nicht abbilden. Deshalb stellte das Human Pangenome Reference Consortium 2023 einen ersten Entwurf eines Pangenoms vor: 47 vollständig zusammengesetzte Genome von Menschen mit sehr unterschiedlicher Herkunft, jeweils mit beiden Chromosomensätzen. Gegenüber der bisherigen Referenz kamen 119 Millionen Basenpaare an Sequenzen hinzu, die von Mensch zu Mensch verschieden sind. Varianten, die in der alten Referenz schlecht abgebildet waren, lassen sich so besser erkennen.
Ethik von Anfang an: das ELSI-Programm
Schon zu Beginn war klar, dass Wissen über das menschliche Erbgut gesellschaftliche Fragen aufwirft. Der US-Kongress verpflichtete das NHGRI deshalb, mindestens 5 Prozent seines Forschungsbudgets für die Erforschung der ethischen, rechtlichen und sozialen Folgen (englisch ethical, legal and social implications, kurz ELSI) auszugeben. Typische Fragen sind bis heute aktuell:
- Wem gehören genetische Daten, und wie werden sie geschützt?
- Dürfen Arbeitgeber oder Versicherungen genetische Informationen nutzen?
- Wie geht man mit Befunden um, deren Bedeutung unklar ist?
- Wie verhindert man, dass genetisches Wissen zu Diskriminierung führt?
In Deutschland beantwortet das Gendiagnostikgesetz viele dieser Fragen für genetische Untersuchungen beim Menschen.
Typische Fehler
- „2003 wurde das Genom vollständig entschlüsselt.“ Falsch. Es waren rund 92 Prozent; lückenlos ist ein Genom erst seit 2022, inklusive Y seit 2023.
- „Entschlüsselt heißt verstanden.“ Falsch. Die Basenfolge zu kennen heißt noch nicht, die Funktion aller Abschnitte zu verstehen.
- „Der Mensch hat 100.000 Gene.“ Veraltet. Heute zählt man etwa 19.400 bis 20.000 proteincodierende Gene.
- „Das Referenzgenom ist das Genom eines typischen Menschen.“ Falsch. Es stammt überwiegend von einer Person und bildet die Vielfalt nicht ab – deshalb gibt es das Pangenom.
Vertiefung Oberstufe: Zwei Strategien – geordnet oder Schrotschuss?
Öffentliches Konsortium und Celera lösten dieselbe Aufgabe mit verschiedenen Strategien. Das öffentliche Projekt arbeitete hierarchisch: Das Genom wurde zuerst in große Stücke von etwa 150.000 Basenpaaren zerlegt und in künstliche Bakterienchromosomen (BACs) eingebaut. Für diese Klone wurde eine Karte erstellt, wo sie im Genom liegen. Erst danach wurde jeder Klon in kleine Stücke zerlegt, sequenziert und wieder zusammengesetzt. Das ist aufwendig, aber jedes Stück hat von Anfang an eine bekannte Adresse.
Celera setzte auf die Gesamtgenom-Schrotschussmethode (whole-genome shotgun): Das ganze Genom wurde auf einmal in Millionen kleiner Stücke zerschossen, sequenziert und am Computer anhand ihrer Überlappungen zusammengepuzzelt. Das war schneller, stieß aber bei Wiederholungen an Grenzen, weil gleich aussehende Stücke nicht eindeutig zuzuordnen sind. Celera nutzte für seine Auswertung auch die frei zugänglichen Daten des öffentlichen Projekts – ein Grund, warum die Frage, wer „gewonnen“ hat, umstritten blieb.
Heute wird für neue Genome fast nur noch das Schrotschussprinzip verwendet, allerdings mit sehr langen Reads. Sie überbrücken Wiederholungen und machen eine vorherige Karte überflüssig. Genau das ermöglichte 2022 das lückenlose T2T-Genom. Die Geschichte zeigt: Welche Strategie die beste ist, hängt von der verfügbaren Technik ab.
Fachbegriffe
- Genom
- Gesamtheit der Erbinformation eines Lebewesens.
- Referenzgenom
- Standardsequenz, mit der neu gelesene Genome verglichen werden.
- Euchromatin
- Locker gepackter, genreicher Teil des Chromatins.
- T2T
- Telomere-to-Telomere: Projekt, das 2022 das erste lückenlose menschliche Genom vorlegte.
- Pangenom
- Sammlung vieler vollständiger Genome, die die genetische Vielfalt einer Art abbildet.
- ELSI
- Forschung zu ethischen, rechtlichen und sozialen Folgen der Genomforschung.
Aufgaben
AFB I Wissen wiedergeben AFB II Anwenden AFB III Beurteilen
- AFB INenne fünf Etappen auf dem Weg zum vollständigen menschlichen Genom mit Jahreszahl.
Lösung anzeigen
1990 Start des Humangenomprojekts; 2000 Verkündung des Rohentwurfs; 2001 Veröffentlichung der Entwürfe in Nature und Science; 2003 „im Wesentlichen fertig“ (ca. 92 Prozent); 2004 verfeinerte Fassung (99 Prozent des Euchromatins, 341 Lücken); 2022 erstes lückenloses Genom (T2T, ohne Y); 2023 Y-Chromosom und Pangenom-Entwurf.
- AFB IIErkläre, warum das Genom 2003 noch nicht vollständig war und was 2022 die Lücken schließen konnte.
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Die fehlenden rund 8 Prozent bestanden vor allem aus langen, sich wiederholenden Abschnitten, etwa in Zentromeren und an den kurzen Armen einiger Chromosomen. Die damaligen Reads waren nur einige Hundert Basen lang; Stücke aus solchen Wiederholungen sehen gleich aus und ließen sich nicht eindeutig zuordnen. Neue Verfahren lesen über 100.000 Basen am Stück. Damit konnten die Wiederholungen vollständig überbrückt und zusammengesetzt werden.
- AFB IIWerte die Tabelle zur Genzahl aus und erkläre, warum die Schätzungen kleiner wurden.
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Die geschätzte Zahl proteincodierender Gene sank von etwa 100.000 (vor der Sequenzierung) über 30.000–40.000 (2001) und 20.000–25.000 (2004) auf heute etwa 19.400–20.000. Frühe Schätzungen beruhten auf Annahmen und indirekten Daten. Mit vollständigeren Sequenzen und besseren Methoden zur Erkennung von Genen fielen falsche Vorhersagen weg, etwa Bruchstücke, die als eigene Gene gezählt wurden, oder Pseudogene ohne Funktion. Die Zahl wird bis heute leicht nachjustiert.
- AFB IIVergleiche die Strategien des öffentlichen Konsortiums und von Celera (Vertiefung).
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Öffentliches Konsortium: hierarchisch; große Stücke in BACs kartiert, dann jedes einzeln sequenziert; langsamer, aber jedes Stück mit bekannter Lage, Daten frei veröffentlicht. Celera: Gesamtgenom-Schrotschuss; das ganze Genom in kleine Stücke zerlegt und am Computer zusammengesetzt; schneller, aber Probleme bei Wiederholungen; nutzte zusätzlich die öffentlichen Daten.
- AFB IIIBeurteile die Aussage: „Ein einziges Referenzgenom reicht, um die Genetik aller Menschen zu verstehen.“
Lösung anzeigen
Die Aussage ist nicht haltbar. Die ursprüngliche Referenz stammt zu etwa 70 Prozent von einer Person und zum Rest überwiegend von Menschen europäischer Herkunft. Varianten, die in anderen Bevölkerungsgruppen häufig sind, sind darin schlecht abgebildet; Befunde können dadurch ungenauer sein. Das Pangenom mit 47 Menschen sehr unterschiedlicher Herkunft fügte 119 Millionen variable Basenpaare hinzu und verbessert die Erkennung von Varianten. Ein Referenzgenom bleibt als gemeinsames Koordinatensystem nützlich, muss aber durch Vielfalt ergänzt werden – auch damit Fortschritte der Medizin allen Menschen zugutekommen. Eine begründete eigene Bewertung ist gefordert.
Weiterlernen
Quellen & Stand
- NHGRI: Human Genome Project Fact Sheet.
- International Human Genome Sequencing Consortium (2001): Initial sequencing and analysis of the human genome. Nature 409, 860–921; (2004): Finishing the euchromatic sequence of the human genome. Nature 431, 931–945.
- Nurk, S. u. a. (2022): The complete sequence of a human genome. Science 376, 44–53; NHGRI: Eric Green, Opening Remarks T2T Media Briefing.
- Liao, W.-W. u. a. (2023): A draft human pangenome reference. Nature 617, 312–324.
- GENCODE: Human Release Statistics (Version 50).
Stand: Oktober 2026.