|
Mai
2001
Genetische Fingerabdrücke
(DNA-Typisierung, DNA typing)
von Dr. Mark Benecke
Dies ist eine Rohfassung. Das Original erschien
mit sechs Abbildungen in FORSCHUNG IN KÖLN,
Zeitschrift der Universität zu Köln Nr. 2/1996,
S. 16-21. Per Klick weitere DNA-Artikel des Autors.
Im Souterrain des Institutes für Rechtsmedizin
befinden sich die Labore der DNA-Forschungsgruppe.
Das Ziel der dort arbeitenden Wissenschaftler
ist die Typisierungen des Erbgutes, die früher
auch als «Genetischer Fingerabdruck» bezeichnet
wurde. Das Verfahren dient unter anderem der Identifizierung
von Lebenden und Toten, der Zuordnung verstreuter
Leichenteile sowie der Klärung fraglicher Vater-
oder Mutterschaften. Schon die ersten mittels
der DNA-Typisierung gelösten Fälle erregten ein
breites Interesse, das auch außerhalb der Forschung
bis heute anhält, was z.B. die großen Artikel
in der ZEIT
(16/1995) und im SPIEGEL (13/1996) zeigen.
Die 1986 von Prof. Staak mit Prof. Berghaus und
Frau Dr. Prinz gegründete DNA-Forschungsgruppe
war eine der ersten, die die neue Methode der
Individualidentifikation in Deutschland anwandte.
Von Anfang an waren
die Mitarbeiter im Labor Biologinnen: Dr. Mechthild
Prinz, Dr. Cornelia Schmitt (die als eine der
ersten den vor wenigen Jahren an der Universität
Köln eingeführten Titel «Doctor rerum medicinalium»
erwarb) sowie die Technische Assistentin Carmen
Broicher waren das Team der ersten Jahre.
Drei klassische Sonderfälle
Die am häufigsten nachgefragte
Untersuchung ist der Vaterschaftstest.
Dabei soll festgestellt werden, ob ein Mann der
Vater eines Kindes ist. In sehr seltenen Fällen
kann aber auch die Mutterschaft, Großvaterschaft
oder dergleichen ermittelt werden. Drei besondere
Fälle sollen zeigen, welche Spezialfragen das
Institut für Rechtsmedizin der Universität zu
Köln neben den Vaterschaften untersucht.
Fall 1: Nach der Vergewaltigung einer Frau durch
mehrere Männer in einer Restauration des Kölner
Unicenters im Jahr 1991 konnte die Kriminalpolizei
keine Fingerabdrücke, dafür aber einige Spermaspuren
aus dem Teppich sowie Papiertüchern sicherstellen.
Die DNA-Typisierung, also der Vergleich der Erbsubstanz
aus den Spermaspuren mit der aus Vaginalabstrichen
der Frau, ergab, daß drei Männer die Tat begangen
hatten. Zunächst konnten nur zwei der Männer gefaßt
werden. Als sich der dritte Täter 1993 in einer
Wirtschaft in Belgien seiner Tat brüstete, wurde
auch er festgenommen und untersucht. Von den Spuren,
die 1991 entdeckt worden waren, war noch genügend
Material aufbewahrt worden. Auch die Erbsubstanz
des Betreffenden konnte mit derjenigen in den
Spuren zur Deckung gebracht werden. In
diesem schwierigen Fall (die Spuren waren bereits
zwei Jahre alt, der Betreffende bestritt die Tat,
das Sperma und damit das Erbgut dreier Personen
war vermischt mit der aus Zellmaterial und Sekreten
stammenden DNA der Frau) konnte das Kölner DNA-Labor
den entscheidenden Beweis für die Tataufklärung
liefern.
Im zweiten Fall wurden zwischen Juni 1987 und
Juni 1994 mehrere Teile einer menschlichen Leiche
aufgefunden (Spielplatz, Abbruchgelände, Keller).
Die Einzelteile paßte anantomisch gut zusammen,
waren aber sehr verschieden erhalten. Während
zwei komplette, in Platiktüten eingehüllte Unterschenkel
samt Füßen durch den Luftabschluß kaum zersetzt
waren, war der Schädel fast vollständig skelettiert.
Brustwand, Bauchdecke, Becken und weitere elf
Leichenteile befanden sich in einer blauen Plastiktonne
mit Ringverschluß und waren fualleichenkonserviert.
Die DNA-Typisierung bestätigte die rechtsmedizinische
Untersuchung: Die Leichenteile stammten von einer
einzigen Person. Darüberhinaus zeigte die DNA-
Typisierung, daß ein Blutfleck auf einem Kissen,
das in der Nähe des Tatortes gefunden wurde, mit
einer Wahrscheinlichkeit von eins zu dreihundert
von der Verstorbenen stammte.
Ein geplatztes Kondom brachte die Ermittlungen
in einem dritten Fall voran. Vor der Polizei gab
eine Frau an, von einem Bekannten vergewaltigt
worden zu sein. Der beklagte Mann sagte aus, daß
davon keine Rede sein könne. Man habe sogar gescherzt
und spaßhalber ein geplatztes Kondom aufbewahrt,
"um gegebenenfalls den Hersteller zu verklagen".
Tatsächlich konnte der Beklagte das Kondom vorweisen.
Die DNA-Typisierung ergab, daß an dem Kondom sowohl
Erbsubstanz des Mannes als auch der Frau haftete.
Die Einlassung der Frau, daß kein Kondom benutzt
worden sei, wurde dadurch erschüttert.
Was ist ein genetischer Fingerabdruck?
Ausgangspunkt ist die Erbsubstanz DNA, ein extrem
langes, fadenförmiges Molekül, das recht stabil
ist. Ein DNA-Strang besteht aus Basen (Nukleotiden),
die an einem molekularen Rückgrat aufgereiht sind.In
der Regel gewinnt man die für genetische Fingerabdrücke
erforderliche DNA aus den Kernen weißer Blutzellen
(Leukozyten). Sind die zu untersuchenden Personen
am Leben (z.B. bei Vaterschaftsuntersuchungen),
so genügt es, den Betreffenden einige Milliliter
Blut abzunehmen. Auch Leichen oder flüchtige Täter
können auf diese Weise typisiert werden, da selbst
getrocknete Blutspuren oft
noch genügend DNA enthalten. Zur Not genügen bereits
Knochen, Haare, Reste von Körpergewebe, eingetrocknetes
Sperma oder Vaginalzellen, um genetische Fingerabdrücke
herzustellen. Brandleichen
können auf diesem Weg identifiziert und - etwa
im Fall einer Flugzeugkatastrophe - abgetrennte
Gliedmaßen dem passenden Körper zugeordnet werden.
Die DNA-Fäden werden zunächst mit Schneideenzymen
in Hunderte von Bruchstücken verschiedener Länge
zerlegt. Um diese Bruchstücke zu sortieren, werden
sie in den Schlitz eines Gels gefüllt und unter
Strom gesetzt (Elektrophorese). Kleine DNA-Stücke
wandern schneller zum elektrischen Pluspol als
große; nach einigen Stunden sind so alle Fragmente
ihrer Länge nach angeordnet. Um den Castro-Fall
aufzuklären, wurden vier DNA-Proben in nebeneinanderliegende
Schlitze eines Gels gebracht und aufgetrennt:
Die DNA der beiden Opfer, des mutmaßlichen Täters
sowie der Blutspur.
Um die DNA der Untersuchten zu vergleichen, folgt
ein letzter experimenteller Schritt. Zwischen
den Bausteinen der DNA, den Basen, herrschen Anziehungskräfte;
jeweils eine bestimmte Base zieht eine andere
bestimmte Base an, man spricht von "komplementären
Basenpaarungen". Der Fingerprinter taucht
das Gel daher in eine Lösung, die sehr kurze DNA-Stücke
- sogenannte Sonden - enthält. Diese werden von
komplementären DNA-Fragmenten im Gel angezogen.
Bis zu diesem Augenblick ist der genetische Fingerabdruck
nichts als eine milchigerweiße Membran, denn DNA
ist farblos. Daher werden die angedockten Sonden
durch eine Farbreaktion sichtbargemacht;
es entsteht ein Muster dünner farbiger Streifen
- der genetische Fingerabdruck.
Je mehr Streifen der genetischen Fingerabdrücke
zweier Menschen übereinstimmen, desto näher sind
diese miteinander verwandt. Der genetische Fingerabdruck
jedes Menschen setzt sich je zur Hälfte aus
dem Streifenmuster der Mutter und des Vaters zusammen;
nur eineiige Zwillinge haben dieselben genetischen
Fingerabdrücke.
Zur Geschichte der Methode
Die Bezeichnung "genetischer Fingerabdruck"
ist eine Wortschöpfung des Pioniers auf diesem
Feld, Professor Alec Jeffreys von der Universität
Leicester. Das individualspezifische Strichmuster
erinnerte
Jeffreys an die für jede Person einmalige Anordnung
der Erhebungen und Vertiefungen der Haut von Fingerkuppen,
die echte Fingerabdrücke hervorrufen. Die heute
untersuchten DNA-Bereiche erzeugen andere Bilder:
Pro untersuchtem DNA-Ort entstehen nur ein bis
zwei Striche, welche die betreffenden Allele darstellen.
Der erste praktische Einsatz «genetischer Fingerabdrücke»,
der 1985 in der gesamten Presse bis hin zum angesehenen
Wissenschaftsjournal Nature für ein ungewöhnlich
großes Aufsehen sorgte, rechtfertigte die Namensgebung.
Damals wurde in England das Einwanderungsgesuch
eines Jungen aus Ghana geprüft. Keine der herkömmlichen
Identifikationstechniken konnte Auskunft geben,
ob die angebliche Mutter des Jungen nicht etwa
seine Tante war; in diesem Fall wäre die Einreise
nicht gestattet worden. Der Vater des Kindes war
unbekannt, was den Fall zusätzlich komplizierte.
Professor Jeffreys
verglich nun die
genetischen Fingerabdrücke der potentiellen Mutter
und dreier ihrer Kinder mit denen des Jungen.
Heraus kam nicht nur, daß der Junge wirklich das
Kind der Frau war; Professor Jeffreys konnte sogar
den genetischen Fingerabdruck des unbekannten
Vaters rekonstruieren.
Möglichkeiten und Unmöglichkeiten
Die beim genetischen Fingerabdruck untersuchten
DNA-Bereiche sind sich selbst wiederholende Basenfolgen
("Tandems"), die im Gegensatz zum restlichen
Genom häufig ihre Länge verändern. Diese
DNA-Sequenzwiederholungen können aber meist nur
untersucht werden, wenn eine ausreichende Menge
DNA verfügbar ist, zum Beispiel bei Verwandtschaftsfragen
zwischen lebenden Personen. Liegen
dagegen nur allerwinzigste Spuren vor, etwa eingetrockneter
Speichel auf der Rückseite einer Briefmarke oder
Partikel einer Mumie, so muß die DNA zunächst
vervielfältigt werden. Dies geschieht durch die
Polymerasekettenreaktion (PCR), für die der charismatische
Forscher Kerry Mullis 1993 den Nobelpreis erhielt.
Im Gegensatz zu den herkömmlichen Fingerabdrücken
sind PCR-Fingerabdrücke zeitsparend
und ersetzen jene daher zunehmend. Auch die Sequenzbestimmung
von DNA-Abschnitten wird gelegentlich als genetischer
Fingerabdruck benutzt.
Zur Sicherheit der DNA-Typisierung
Mit zunehmendem Wissen um die Eigenschaften der
bei der DNA-Typisierung untersuchten Bereiche
der Erbsubstanz wurde Ende der achziger Jahre
in Amerika angenommen, daß die Verwechlungswahrscheinlichkeit
von Personen bei weniger als eins zu 738 Billionen
liegt. Das bittere Erwachen kam, als Eric Lander
vom Institute for Biomedical Research in Cambridge
zusammen mit fünf
Kollegen und zwei Rechtsanwälten die Verteidigung
von José Castro, dem "Mörder aus der Bronx",
übernahm. Nach fünfzehnwöchiger gerichtlicher
Beratung stand fest, daß in Zukunft nur noch ausgewählte
Sondenmoleküle benutzt und nur definierte DNA-Bereiche
untersucht werden durften. Seitdem gelten in den
Vereinigten Staaten sehr strenge Auflagen bei
der Zulassung genetischer Fingerabdrücke als
Beweismittel. Zugleich sind auch die Fehlerquellen
ausgeschaltet. Eine gründliche DNA-Typisierung
erlaubt mittlerweile den praktisch hundertprozentigen
Ausschluß eines Tatverdächtigen bzw. die99,9999%ige
Identifizierung desselben.
Deutsche Forscher haben, bei gleicher Untersuchungsgenauigkeit,
einen weit größeren Spielraum bei der Auswahl
ihrer Methoden als deren amerikanische Kollegen.
Zugleich prüfen sich die deutschen
forensischen DNA-Labors durch ein enges Kontrollverfahren
selbst. Dabei werden Blindproben in ganz Deutschland
sowie nach Österreich, in die Tschecheslowakei
und die Niederlande versandt,
von den dortigen Labors untersucht und auf regelmäßigen
Treffen aller Beteiligten verglichen. Dieses Verfahren
garantiert ein Höchstmaß an Sicherheit und Vergleichbarkeit
der Ergebnisse.
Eine neue Forschergeneration
Mit genetischen Fingerabdrücken als neuer Identifizierungstechnik
kam auch eine neue Wissenschaftlergeneration zum
Zuge. Eines der ersten deutschen forensischen
DNA-Labors wurde bereits 1986 von Professor Staak
unter Mitarbeit von Professor Berghaus und Mechthild
Prinz im Untergeschoß der Kölner Rechtsmedizin
aufgebaut - nur ein Jahr nach der initialen Veröffentlichung
von Professor Jeffreys,
der einem kleinen Jungen die Einwanderungserlaubnis
nach England erstritt. Mittels sogenannter Jeffreys-Sonden
konnte die Kölner Arbeitsgruppe schon früh Kriminalfälle
lösen, denen mit herkömmlichen
Analysetechniken nicht beizukommen war, etwa der
geschilderten Dreifachvergewaltigung.
Das Kölner DNA-Labor nahm von Anfang an am internationalen
Informationsaustausch teil. So fand im September
1990 unter dem Tagungspräsidium des Institutsdirektors
Professor Staak an der Universität zu Köln erstmals
das "Internationale Symposion DNA-Technologie
und ihre forensische Anwendung" statt.
Eine neue Wissenschaftlergeneration - Dr. Mechthild
Prinz, heute als «Fingerprint»expertin beim Chief
Medical Examiner in New York, hatte vor Ihrem
Einstieg in die DNA-Typisierung im Botanischen
Institut der Universität zu Köln Flechten untersucht,
die auf Steinen wachsen. Dr. Cornelia Schmitt,
heute wissenschaftliche Angestellte hatte bei
Prof. Legler im Insitut für Biochemie der Universität
zu Köln ein Aktivatorprotein für lysosomale Beta-Glycosidase
isoliert und charaktisiert; der Autor dieses Artikels
wandte die DNA-Typisierung ursprünglich in der
Arbeitsgruppe von Professor Schierenberg am Zoologischen
Institut der Universität zu Köln zur Unterscheidung
mikroskopisch vollkommen gleichartiger Wurmstämme
an.
Forschung in zahlreichen Gebieten...
Die «Fingerprintgemeinde» ist ein hochheterogenes
Grüppchen von Forschern aus den verschiedensten
wissenschaftlichen Bereichen. Der Begriff "interdisziplinäres
Arbeiten" erhält dabei eine neue Dimension:
Auf den internationalen Kongressen zur DNA-Typisierung
tagen gleichzeitig Mediziner, Mathematiker, Ökologen,
Botaniker und Zoologen. Die Einsatzmöglichkeiten
der DNA-Typisierung sind nicht
auf Kriminalfälle beschränkt. Auch in Sport, Biologie
und Medizin macht man sich deren individualidentifizierende
Kraft zunutze. Im Rahmen eines von Prof. Staak
geleiteten Forschungsvorhabens werden die immer
häufigeren Behauptungen von des Dopings überführten
Sportlern überprüft, die aussagen, die mit Dopingmitteln
belastete Urinprobe stamme nicht von ihnen. Da
jedoch in Urin bei Frauen immer einige Vaginalepithelzellen
und auch bei Männern - wenn auch in geringerem
Ausmaß - zellhaltiges Material im Urin zu finden
ist, kann die in diesen Zellen enthaltene, verschwindend
geringe Menge DNA mit der
Polymerasekettenreaktion vervielfältigt und dann
mit DNA aus dem Blut des Sportlers verglichen
werden.
Unser Labor hat in den vergangenen Jahren einen
von mehreren Forschungsschwerpunkten auf die Urin-DNA-Typisierung
gelegt. Wir entwickelten eine chemische Reaktion,
bei der gleichzeitig mehrere
Bereiche der DNA in einem einzigen Reaktionsgefäß
vervielfältigt und danach dargestellt werden können.
Durch die gezielte Auswahl von Startermolekülen,
die auch kleinste Mengen von DNA noch vervielfältigen
können, kann auch längere Zeit gelagertes Urin
noch erfolgreich typisiert werden. In Zusammenarbeit
mit dem Kölner Bundesinstitut für Sportwissenschaften
wird dieses Verfahren nun einem Serientest unterzogen.
Eine Methode, die der klassischen Technik zur
Herstellung genetischer Fingerabdrücke ähnelt,
wenden Mediziner schon seit langem erfolgreich
an, um krankmachenden Genveränderungen auf die
Spur zu kommen. Solche Modifikationen der Erbsubstanz
spiegeln sich häufig in Längenveränderungen desjenigen
DNA-Bereiches wider, auf dem sie lokalisiert sind.
Auch durch genetische Fingerabdrücke werden Längenveränderungen
von DNA-Bereichen dargestellt. Durch den Vergleich
der Längenprofile gesunder mit denen erkrankter
Menschen kann der ungefähre Ort des veränderten
Gens festgestellt und dann näher untersucht werden.
(Bei den routinemäßig für Vaterschaftsuntersuchungen
hergestellten genetischen Fingerabdrücken werden
solche Genveränderungen hingegen nicht ermittelt.
Die Gefahr des Mißbrauches genetischer Information
besteht also, abgesehen von kriminellem Vorsatz,
nicht.)
Auch in der Krebsforschung macht man sich neuerdings
die DNA-Typisierung zunutze. Alle Zellen einer
Person ergeben den gleichen genetischen Fingerabdruck,
unabhängig davon, ob sie aus Muskeln, Blut,
Haut, Speichel oder irgendeinem anderen Gewebe
stammen. Krebszellen verhalten sich anders. Sie
haben eine hohe Mutationsrate, das heißt ihre
DNA befindet sich in dauernder Umordnung. Diese
DNA-Veränderungen sind im genetischen Fingerabdruck
darstellbar. So kann Krebs nicht nur rasch diagnostiziert,
sondern auch dessen Entstehung und Ausbreitung
im Körper besser verfolgt werden.
Gerade bei Organübertragungen kann es geschehen,
daß Gewebe verpflanzt wird, das einem krebskranken
Organspender entnommen wurde. In solchen Fällen
untersucht das DNA-Labor des Institutes für
Rechtsmedizin, ob eine spätere Krebserkrankung
des Organempfängers in Zusammenhang mit der Organtransplantation
steht. Enthalten die Krebszellen des Organempfängers
DNA des Organspenders, so
wurde die Krebserkrankung verschleppt.
Auch in den Augen vieler Mediziner sind zoologische
Untersuchungen mittels genetischer Fingerabdrücke
interessant. Der Humangenetiker Professor Jörg
Epplen von der Ruhr-Universität Bochum etwa, der
zahlreiche Fingerprint-Sonden erfunden hat (und
die von der Ruhr-Universität Bochum patentiert
wurden), favorisiert verhaltens- und soziobiologische
Anwendungen des Verfahrens. Doch auch die Entwicklung
des Lebens und die Stellung der Lebewesen untereinander
werden in Köln untersucht. Die erwähnten Versuche
am Zoologischen Institut der Universität bei Professor
Einhard Schierenberg
zeigten beispielweise, daß sich die DNA von Fadenwürmern,
die sich äußerlich völlig gleichen, charakteristisch
unterscheiden kann.
...sogar im Naturschutz
Der Schritt von der wissenschaftlichen Biologie
zum Arten- und Naturschutz ist klein. Angeregt
unter anderem von Bill Amos aus Cambridge sowie
den Münchener Forschern Christian Schlötterer
und Professor Diethard Tautz, kontrollieren Behörden
und Naturschützer seit einigen Jahren den kommerziellen
Walfang. "Genetische Flossenabdrücke"
überführen dabei laufend Schmuggler, die Walfleisch
z.B. entgegen des nationalen Ausfuhrverbotes Norwegens
nach Japan oder Südkorea exportieren. Die Untersucher
staunen immer wieder über das dreiste Vorgehen
der Betrüger. So tauchte vor zwei Jahren in Oslo
ein Container auf, der angeblich shrimps, in Wahrheit
jedoch 3,5 Tonnen Walfleisch enthielt. Vor allem
Finnwale, die seit 1989 nicht mehr getötet werden
dürfen, sind das Opfer der Walfänger und -schmuggler.
Bei einem japanischen Einzelhändler identifizierten
Biologen sogar das Fleisch eines Buckelwals; diese
Tierart ist bereits seit 1966 streng geschützt.
Um der Strafe zu entgehen, behauptete der Hersteller,
das verbotene Fleisch sei bereits vor dreißig
Jahren eingefroren und erst jetzt zubereitet worden.
Umgekehrt entpuppte sich in Australien das Innenleben
eines angeblichen "Emu-Gourmet- Hamburgers"
durch DNA-Typisierung als gewöhnliches Hackfleisch.
In Deutschland sieht es nicht nicht anders aus.
Beim jährlich im Instutut für Rechtsmedizin der
Universität zu Köln veranstalteten "Kölner
Elektrophoresetag" berichteten Forscher 1996
von Schweinefleisch in "garantiert schweinefleischfreien
Türkwürsten" und angeblichen Shrimps, die
aus gepreßtem, gefärbten und
gewürzten Fischmehl bestanden. Nur die DNA-Typisierung
konnte die gewinnsüchtigen Lebensmittelproduzenten
überführen.
Neue Ideen
Der Forscherdrang der Fingerprintgemeinde (kollektive
Leibspeise der ersten Fingerprinter: tom yum,
eine Meeresfrüchtesuppe mit Kokosnußmilch und
grünem Koriander, dazu sechzehn Jahre alter Lagavulin-
Whisky) ist ungeachtet der zahllosen Versuchsergebnisse
ungebrochen. Allein das Kölner DNA-Labor des Institutes
für Rechtsmedizin der Universität arbeitet neben
den Routinetätigkeiten - der Individual- und Spurenidentifikation
sowie der Vaterschaftsfeststellung - an sechs
weiteren Projekten. Neue DNA-Orte sollen erprobt,
das Urin gedopter Sportler soll diesen zugeordnet,
bei
Organübtertragungen mitgeschleppte Tumoren sollen
erkannt, stark zerkleinerte DNA aus Wasserleichen
und Haaren gewonnen und einzelne Spermien einem
entsprechenden Mann zugeordnet werden. Um
das vielfältige Forschungsprogramm am laufen zu
halten, beschäftigen sich neben der Stammbesetzung
vier Doktorandinnen und Doktoranden mit der forensischen
DNA-Typisierung. Die zahllosen und oft
überraschenden Fragestellungen, die in der Rechtsmedizin
an die DNA-Typisierung gestellt werden, sorgen
dafür, daß auch in Zukunft die Ideen für weitere
Forschungen nicht ausgehen.
(c) FORSCHUNG IN KÖLN/Dr. Mark Benecke, Universität
zu Köln.
E-mail: benecke@csi.com
|
