DNA-Chips analysieren Tausende von Genen gleichzeitig

Genchips nutzen kurze DNA-Moleküle, um das Erbgut zu analysieren. Sie decken Zusammenhänge zwischen Genen und Krankheiten auf.

Wie funktioniert ein Genchip?

Ende der 1980er Jahre begannen Forscher, DNA-Moleküle in genau festgelegter Reihenfolge auf Glasplättchen aufzutragen. Diese DNA-Chips, auch Genchips oder Microarrays genannt, konnten auf einen Schlag tausende Gene analysieren1 – und das zu sehr geringen Kosten.

Die medizinische Forschung griff die neue Technologie rasch auf. Große Assoziationsstudien gingen der Frage nach, welchen Einfluss das Erbgut auf Krankheiten hat. Heute sind diese Erkenntnisse auch für den Einzelnen nutzbar: Kommerzielle Anbieter bieten Tests an, die mit DNA-Chips das individuelle Krankheitsrisiko bestimmen.

Was sind Genchips?

Genchips bestehen meist aus kleinen Glasplättchen, deren Oberfläche als Bindungsstelle für kurze DNA-Moleküle dient2. Es werden jeweils nur winzige Mengen aufgetragen, so dass mehrere Millionen unterschiedliche DNA-Moleküle auf dem Glas Platz finden können. Diese Anordnung nennt sich Microarray – ein festgelegtes Muster, auf dem jedes DNA-Molekül eine genau definierte Position einnimmt.

Die DNA-Moleküle auf dem Glas dienen als Sonden, die andere DNA- oder RNA-Moleküle aus biologischen Proben herausfiltern. Spezielle Lesegeräte erkennen, ob es zu einer Bindung zwischen Sonde und Probe kommt – und sie bestimmen auch deren genaue Position auf dem Microarray. Aus der Position wiederum lassen sich Art und Sequenz der DNA-Sonde bestimmen: So liefert das Auslesen der DNA-Chips Informationen über die Zusammensetzung der biologischen Probe.

Wie funktioniert die Analyse?

Die Analyse startet mit einer biologischen Probe, häufig einer kleineren Menge Blut oder Speichel. Die Proben enthalten Körperzellen, die wiederum zwei Arten von Nukleinsäuren aufweisen – DNA- und RNA-Moleküle. DNA-Chips können beide Nukleinsäure-Arten nachweisen, wenn sie aus der Probe aufgereinigt und an einen Farbstoff gekoppelt werden.

Die farblich markierten Nukleinsäuren binden an Sonden auf dem Genchip, wenn diese eine passende Abfolge von DNA-Buchstaben aufweisen. Auf dem Chip entsteht ein winziges Lichtsignal, das mit einem Lesegerät ausgelesen wird. Die Auswertung erfolgt per Computer: Dieser ordnet die Lichtsignale bestimmten Positionen und damit auch bestimmten DNA-Sonden zu. Da die DNA-Buchstaben der Sonde festgelegt sind, ist auch die DNA-Sequenz der Probe bekannt.

Welche Aussagen sind möglich?

Genchips können sowohl DNA- als auch RNA-Moleküle in biologischen und medizinischen Proben nachweisen. Die Durchführung und Auswertung der Tests ist dabei weitgehend gleich, die Aussagen unterscheiden sich jedoch erheblich – es werden grundlegend andere Fragestellungen beantwortet.

Nachweis von DNA – Aussagen über das Erbgut

Forscher können die DNA-Sonden auf dem Genchip so auswählen, dass sie nur bestimmte genetische Varianten erkennen. Das können Varianten eines Gens sein oder kleine Veränderungen in den nicht-codierenden Bereichen (meist single nucleotide polymorphisms, SNPs). SNPs werden meist zusammen mit bestimmten Genvarianten vererbt – sie dienen daher als Marker für die genetische Vielfalt.

In medizinischen Proben kann der Nachweis von DNA dazu dienen, das Erbgut eines Menschen grob zu kartieren. Wenn gleichzeitig dessen Gesundheitszustand bekannt ist, geben DNA-Chips Hinweise auf Zusammenhänge zwischen Krankheiten und Erbgut3,4. Diese Untersuchungen werden Assoziationsstudien genannt und können Millionen von Menschen umfassen. Bislang haben Forscher auf diese Weise etwa 500 000 Assoziationen zwischen SNPs und Krankheiten gefunden5.

Nachweis von RNA – Aussagen über die Aktivität von Genen

DNA-Chips bieten auch die Möglichkeit, RNA-Moleküle nachzuweisen. RNA entsteht in Körperzellen, wenn ein Gen abgelesen wird: Diese Art von RNA ist ein Botenstoff, der die Herstellung von Proteinen ermöglicht. Die Analyse der RNA zeigt also, ob und wie stark ein Gen aktiv ist. Untersuchungen zur Genaktivität finden vor allem in der Grundlagenforschung statt.

Genchips für den Privatgebrauch

Genchips sind sehr preiswert – die Analyse des Erbguts ist daher heute auch für Privatpersonen erschwinglich. Entsprechende Gentests können seit vielen Jahren problemlos über das Internet geordert werden. Meist reicht eine Speichelprobe. Kommerzielle Anbieter suchen dann nach genetischen Risikofaktoren, die auf eine Veranlagung für bestimmte Erkrankungen hinweisen. Theoretisch kann damit Krankheiten gezielt vorgebeugt werden – der Nutzen der Tests ist jedoch umstritten.

Welche Alternative gibt es zu DNA-Chips?

Für die Grundlagenforschung haben Genchips oft nur einen eingeschränkten Nutzen, da sie nur sehr begrenzte Aussagen über das Erbgut liefern. Wesentlich informativer ist die direkte Sequenzierung des Genoms, die eine vollständige Abfolge der DNA-Buchstaben liefert. Die Kosten dafür sind inzwischen stark gesunken: Für rund 1000 US-Dollar pro Genom können auch Privatpersonen ihr eigenes Erbgut sequenzieren lassen.