Anwendungsgebiete der PCR

Einführung

Die Anwendungen der Polymerase-Kettenreaktion sind vielfältig und reichen vom genetischen Fingerabdruck über das Humangenomprojekt zur Entschlüsselung der menschlichen Erbinformation bis hin zur medizinischen Diagnostik. Darüber hinaus sind PCR-Tests in der Lebensmittelanalytik und im Verbraucherschutz etabliert, mit denen sich zum Beispiel die Verunreinigung von Milch- oder Eiprodukten mit schädlichen Salmonellen oder Listerien nachweisen lassen. Die Verwendung von genmanipuliertem Mais oder Soja in Lebensmitteln lässt sich so ebenfalls belegen. Auch die molekulare Archäologie basiert auf der PCR-Technologie. So reichen kleinste Mengen an DNS aus organischen Fossilien (Zähne, Knochen, Gewebe) aus, um wichtige Informationen zu den Funden zu erhalten – so zum Beispiel im Fall des Gletschermannes „Ötzi“. Auch in der Gerichtsmedizin hat die PCR Fuß gefasst. Am Tatort sichergestelltes organisches Material – Blut, Haare oder Sperma – genügen, um den Täter mit dem berühmten genetischen Fingerabdruck zu überführen. Auch die heute gängigen Vaterschaftstests beruhen auf dem PCR-Verfahren.

Der genetische Fingerabdruck

Die Erbinformation des Menschen umfasst rund drei Milliarden Basen, von denen nur etwa zwei Prozent Gene sind, die den Bauplan für Proteine enthalten. Darüber hinaus enthält sie immer wieder spezielle Basenabfolgen, die als variable number tandem repeats (VNTR) bezeichnet werden. Diese tragen keine Informationen zum Bau von Proteinen. Ihr Wiederholungsmuster ist für jeden Menschen spezifisch und erlaubt es daher, ihren Träger mithilfe der PCR eindeutig zu identifizieren. Als Vergleichsprobe reicht eine Haarwurzel oder eine winzige Blut- oder Spermaspur aus. Aus deren Erbinformation vervielfältigen die Spezialisten in der kriminalistischen Spurensicherung acht bis 15 verschiedene VNTR-Regionen. Diese ergeben ein charakteristisches Muster, das man mit dem entsprechenden Muster von Verdächtigen, zum Beispiel aus Speichelproben, vergleichen kann. Die Aussagekraft eines derartigen „genetischen Fingerabdrucks“ ist eindeutig.

Der genetische Fingerabdruck

Die Basenabfolgen der DNS sind individuell unterschiedlich und erlauben es, einen Menschen mithilfe der PCR eindeutig zu identifizieren.
Bildquelle: Roche Lerncenter

Die Zahl der wiederholten kurzen Sequenzen in den VNTR-Regionen wird von den Eltern auf ihre Kinder vererbt. Eine der beiden Genvarianten des Kindes weist demnach das gleiche VTNR-Muster auf wie eine Genvariante des Vaters; die andere entspricht dem der Mutter. Daher wird das Verfahren des genetischen Fingerabdrucks mit dem PCR-Verfahren auch für Vaterschaftstests herangezogen.

Die Sequenzierung von Erbinformation

Die Entzifferung der gesamten Erbinformation des Menschen im weltweiten Humangenomprojekt begann 1988 und erreichte sein erstes Etappenziel mit der Publikation der menschlichen Erbinformation im Februar 2001. Die prinzipielle Methode zur Sequenzierung von DNS – also zur Bestimmung der Reihenfolge ihrer Basen – war schon Mitte der 1970er Jahre erfunden worden. Ohne die PCR hätte sie aber nicht die Effektivität und den Automatisierungsgrad erreichen können, der es erlaubte, in kaum mehr als zehn Jahren die Reihenfolge von mehr als drei Milliarden Basen zu bestimmen. Erst die PCR machte es möglich, in kürzester Zeit die für die Sequenzierung benötigten großen DNS-Mengen bereit zu stellen. Auch die Erbinformation zahlreicher anderer Organismen wurde mithilfe der PCR entziffert, darunter im Jahr 2005 die des Schimpansen.

Medizinische Anwendungen

In der Infektionsdiagnostik besteht der Vorteil der PCR gegenüber herkömmlichen Methoden darin, dass sie es einfacher und schneller ermöglicht, eine frühzeitige und zuverlässige Diagnose zu stellen. Auch die Geschwindigkeit, mit der sich eine Infektion entwickelt, kann mithilfe der PCR genau verfolgt werden. Außerdem ermöglicht die PCR dem Arzt eine wirksame Therapiekontrolle, indem er den Gehalt an Bakterien- oder Viren-DNS in einer Probe bestimmt. Sinken die Werte, ist die Behandlung erfolgreich, sinken sie nicht, muss die Therapie korrigiert werden. Große Bedeutung kommt der PCR darüber hinaus bei der Kontrolle von Blutspenden auf eine Verunreinigung mit HI- oder Hepatitisviren zu. Routinetests von Spenderblut mit dem PCR-Verfahren sorgen dafür, Kontaminationen aufzudecken.

Ausblick

Überall dort, wo geringe Mengen von DNS schnell vervielfältigt werden müssen, um wissenschaftliche Aussagen treffen zu können, ist die PCR zum unverzichtbaren Werkzeug der modernen molekularbiologischen und medizinischen Forschung geworden. Vor allem in der medizinischen Diagnostik wird sie noch viele Anwendungen finden. Neuere Entwicklungen zielen darauf ab, mithilfe von Gentest bereits sehr früh die Veranlagung für Krankheiten wie Krebs oder Diabetes mellitus zu erkennen. In vielen Fällen lässt sich der Ausbruch der Krankheit durch eine Veränderung des Lebensstils oder die Einnahme von Medikamenten verhindern oder zumindest hinauszögern, wenn die Diagnose früh genug gestellt wird. Aber auch bei der Identifizierung von Zielmolekülen für Arzneimittel oder bei pharmakogenetischen Analysen – zum Beispiel mit dem AmpliChip® CYP450 – ist die PCR von großer Bedeutung.