Moderne Verfahren zur Identifikation von DNA:
Der genetische Fingerabdruck, die Gelelektrophorese. 

Der genetische Fingerabdruck:

Verwendung: Kriminaltechnik (seit 1985), Vaterschaftsnachweise, Verwandtschaftsbeziehungen (Evolution), Identifizierung von Genen..
Mit dem genetischen Fingerabdruck (auch "DNA-Profil" oder "DNA-Fingerprinting" genannt) haben die Strafverfolgungsbehörden seit Mitte der 80er Jahre ein ausgesprochen wirksames Mittel zur eindeutigen Identifizierung einer Person in der Hand. In kriminaltechnischen (= forensischen) Laboratorien werden genetische Fingerabdrücke untersucht, um die Überführung oder die Entlastung eines Verdächtigen an Hand von am Tatort gefundenen Spuren zu ermöglichen.

Auch Verwandtschaftsverhältnisse (z.B. Vaterschaftsgutachten) lassen sich durch diese Methode klären (basierend auf der Tatsache, dass der genetische Fingerabdruck nach den Mendelschen Regeln je zur Hälfte von jedem Elter ererbt wird.)
Inzwischen wird kommerziell für einen Vaterschaftstest geworben, der z.B. mit Hilfe eines eingesandten Schnullers, an dem kindliche Zellen haften die biologische Vaterschaft im Zweifel klären soll. (Kosten ab ca. 300€)

Wichtig: Der genetische Fingerabdruck erlaubt zwar eine Aussage über die Identität von Spurenverursacher und einem Tatverdächtigen. Nähere Aussagen zu Persönlichkeitsmerkmalen des Spurenverursachers (also z.B. Haar- oder Augenfarbe, Statur, Herkunft, Charakter etc.) erlaubt das Verfahren jedoch nicht, da die DNA aus Bereichen stammt, die keine Informationen codieren. 
Für den genetischen Fingerabdruck reichen heute Minispuren ( 5-10 µg DNA) aus, solange sie noch Erbmaterial enthalten - beispielsweise die Blutspur an einem Glassplitter, die Wurzel eines ausgefallenen Haares oder Speichel- und Zellreste an einer Zigarettenkippe. 

Ihr Debüt hatte die forensische DNA-Analyse 1986 in England - ein Jahr nach Jeffreys' Publikation mit einer Rasterfahndung in Leicestershire. Dort war ein 15jähriges Mädchen vergewaltigt und ermordet worden, drei Jahre zuvor eine Gleichaltrige. Bei beiden Opfern fanden sich Spermaspuren. Die britische Polizei bat 5000 Männer der Region zur Blutprobe. Einer gab zweimal Blut ab, aber unter verschiedenen Namen um einen Arbeitskollegen zu decken. Dessen DNA-Profil stimmte mit dem der Spermaspuren überein. Er gestand beide Morde. Ein bereits unschuldig Inhaftierter kam frei.
Ein spektakulärer Fall in Deutschland machte den genetischen Fingerabdruck auch hier bekannt: Im Fall Christina Nytsch (11) hatte man am Opfer Spermaspuren gefunden und suchte über einen Speicheltest nach dem passenden genetischen Muster des Täters. 1998 wurden ca. 12.000 Männer zwischen 18 und 30 Jahren aus allen Nachbardörfern zum Speicheltest gebeten (- unter ihnen auch der dadurch überführte Mörder).

Seit 1998 wird beim Bundeskriminalamt (BKA) eine DNA-Datei aufgebaut. In ihr sollen die genetischen Fingerabdrücke bestimmter Tätergruppen auf Verdacht gespeichert werden. Seit der schnellen Aufklärung des Mordfalles Moshammer wird in Politik und Medien diskutiert, ob diese Art der Spurensuche auf alle Felder der Kriminalität ausgeweitet werden soll. Bislang ist ein DNA -Fingerabdruck nur bei schweren Straftaten und mit richterlicher Genehmigung möglich.
Inzwischen dürfen bei 41 verschiedenen Straftatbeständen DNA-Daten gespeichert werden, angefangen von Sexualdelikten bis zu Brandstiftung, Wohnungseinbruch, Diebstahl, Bildung terroristischer Vereinigungen, Erpressung und Körperverletzung im Amt.

Die rapide wachsende DNA-Datei des BKA weist inzwischen eine beeindruckende Trefferquote auf – fast jede vierte Anfrage führt zum Erfolg. Etwa 382.000 Datensätze (Stand 30. November 2004) sind dort gespeichert, rund 340 Tötungsdelikte, 820 Sexualstraftaten und mehr als 21.000 Diebstähle konnten mit Hilfe der Datenbank aufgeklärt werden. Allein 2002 hat die BKA-Datenbank geholfen, dass 66 Fälle von Mord und Totschlag, 135 Sexualverbrechen, 250 Raubüberfälle, Erpressungen und mehr als 3000 andere Eigentumsdelikte aufgeklärt werden konnten.

Molekularbiologische Informationen zu dieser Technik:

In jeder Zelle tragen wir zwar unsere komplette Erbinformation (ca.3 Milliarden Basenpaare), doch in nur ca. 3 Prozent der DNA steckt der Bauplan unseres Körpers, 97 Prozent sind ohne bekannte Funktion (= nicht kodierende DNA). Auf verschiedene dieser "funktionslosen" Abschnitte (sog. Introns) haben es die Biologen abgesehen, denn ihre Längen sind von Mensch zu Mensch verschieden. 

Innerhalb dieser Abschnitte gibt es viele verschiedene sog. VNTR-Loci (Variable Number of Tandem Repeats) oder STR-Gene ("Short-Tandem-Repeat-Gene), die aus Wiederholungen derselben kurzen Basensequenz (z.B. ACTG) bestehen. Diese Wiederholungssequenzen (="Stottersequenzen") sind unterschiedlich lang, da die Anzahl der Stottersilben in einem STR-Gen bei verschiedenen Menschen unterschiedlich groß ist und von daher zur Identifizierung einer DNA-Probe herangezogen werden kann. 
Man erwartet pro VNTR-Locus und untersuchter Person 2 Banden, d.h. 2 Allele des STR-Gens, die von den beiden homologen Chromosomen (eins vom Vater, eines von der Mutter) stammen.

Je mehr verschiedene STR-Gene untersucht werden, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass zwei nicht verwandte Personen das gleiche Bandenmuster haben. Untersucht man z.B. acht STR-Gene, dann ist die Wahrscheinlichkeit bereits so gering, dass rein statistisch ein einziger Mensch aus der gesamten Erdbevölkerung identifiziert werden könnte. In der Fachliteratur wird eine Wahrscheinlichkeit von 4x10-11 dafür genannt, dass zwei nicht verwandte Personen das gleiche Bandenmuster haben; bei Verwandten liegt sie immer noch unter 4x10-5. Nur bei eineiigen Zwillingen scheitert das Verfahren, denn die haben identische Erbanlagen.  In der DNA-Datei ist ein Verdächtiger mit acht Zahlenpaaren gespeichert: 8 STR-Gene -->jeweils mit 2 Allelen ---> jedes Allel ist in Form seiner DNA-Länge als Zahl angegeben. (siehe Tabelle)
 
 Es gibt zwei Verfahren, wie die DNA-Stücke aus der Gesamt-DNA gewonnen werden:

a) Wenn genügend DNA-Material vorliegt: (
Benötigt werden 50.000 bis 500.000 Zellkerne)

    Das RFLP (Restriktions-Fragment-Längen-Polymorphismus) - Verfahren

b) Wenn nur eine winzige Menge DNA vorliegt: (Benötigt werden nur wenige Zellkerne, das entspricht ca. 1milliardstel Gramm DNA)

    Das PCR-Verfahren: DNA-Vervielfachung durch die Polymerase-Kettenreaktion
 

zu a)        Das RFLP (Restriktions-Fragment-Längen-Polymorphismus) - Verfahren

Diese VNTR-Loci werden durch spezifische Schneide-Enzyme = Restriktionsenzyme als "Schnipsel" = DNA- Fragmente verschiedener Länge herausgeschnitten. Um sie der Länge nach zu sortieren und um sie sichtbar zu machen müssen noch eine Reihe weiterer Schritte folgen. (siehe unten)

Schema: Homologes Chromosomenpaar mit VNTR-Loci verschiedener Länge

zu b)        Das PCR-Verfahren: DNA-Vervielfachung durch die Polymerase-Kettenreaktion
Meist sind die Tatort-Spuren so winzig, dass für die RFLP-Methode zu wenig DNA vorliegt. Deshalb wird heute meist das PCR-Verfahren angewendet, für dessen Entwicklung Kary Mullis 1993 den Nobelpreis erhielt.. Hier werden ebenfalls die für jeden Menschen charakteristischen kurzen DNA-Loci mit Wiederholungssequenzen = STR-Gene (s.o.) gesucht. Nur diese werden dann aber millionenfach im Reagenzglas vervielfacht (polymerase-chain-reaction). Voraussetzung ist die Analyse der Basensequenz vor und hinter dem zu kopierenden Gen, um komplementäre Primer-Moleküle zu synthetisieren. Diese   synthetisch hergestellten einsträngigen DNA-Moleküle ("Primer") lagern sich mit ihrer komplementären Basensequenz an die Erhitzen in DNA-Einzelstränge zerlegte "Tatort"-DNA an und markieren als "Startermoleküle" Anfang und Ende des gewünschten STR-Gens für die (hitzebeständige) DNA-Polymerase. Als Ausgangsmaterial reichen wenige Zellkerne. (siehe vereinfachtes Schema).

Ergebnis Der PCR ist eine Doppelbande pro STR-Gen, da auch die STR-Gene in zwei Allelen vorliegen und in der Regel auf den homologen Chromosomen eine unterschiedliche Länge d.h. unterschiedliche Wiederholungshäufigkeit der "Stottersequenzen" aufweisen.

Anschließend werden die DNA-Fragmente der Länge nach durch Gelelektrophorese sortiert und nach Anfärbung ausgewertet. (siehe unten)

So läuft der Test im kriminaltechnischen Labor ab: (vereinfacht)

RFLP:   PCR:
1) Gewinnung des DNA-haltigen Materials vom Tatort. (mindestens 50.000 Zellkerne)

1) Gewinnung des DNA-haltigen Materials vom Tatort. (wenige Zellkerne)
2) Herstellung der DNA-Fragmente durch Restriktionsenzyme.
Diese VNTR-Abschnitte sind von einer bestimmten Basenfolge eingerahmt, und können deshalb von spezifischen Schneideenzymen erkannt werden. Man spaltet also die DNA-Proben mit Restriktions- Enzymen, die ihre Erkennungssequenzen vor und hinter dem untersuchten VNTR-Locus haben, nicht aber innerhalb. 

2) gezielte Vervielfältigung nur der   gewünschten STR-Gene
3) Gelelektrophorese:
Nach der Spaltung werden die DNA-Fragmente auf einem Agarose-Gel im elektrischen Feld der Größe nach aufgetrennt. Die DNA-Stücke sind wegen der Phosphat-Gruppe negativ geladen und wandern zum Pluspol. Große Fragmente wandern langsamer als kleine.

3) Gelelektrophorese:
Nach der Spaltung werden die DNA-Fragmente auf einem Agarose-Gel im elektrischen Feld der Größe nach aufgetrennt. Die DNA-Stücke sind wegen der Phosphat-Gruppe negativ geladen und wandern zum Pluspol. Große Fragmente wandern langsamer als kleine.
4) Denaturierung und Blotting:
Aufspaltung der doppelsträngigen DNA-Bruchstücke in Einzelstränge (=Denaturierung) und Auftragung / Fixierung (=Blotting) auf einer speziellen Nylon-Membran.
5) Sichtbarmachung durch Gensonden:
Zugabe radioaktiv markierter Gensonden, das sind einsträngige DNA-Stücke, die eine komplementäre Basensequenz zu Nachbar-Bereichen des VNTR-Locus enthalten, und sich deshalb an die gesuchten DNA- Fragmente anlagern.

  4) Färbung:
Anfärbung der DNA-Banden mit UV- oder Laser empfindlichen Farbstoffen
6) Autoradiographie:
Durch Auflegen eines Röntgenfilms ist es anschließend möglich, die Fragmente auf der Membran durch Schwärzung zu identifizieren. Es entstehen die charakteristischen Bandenmuster. Hier: die jeweils 2 Banden eines STR-Allelpaars.

5) Auswertung:
Abtastung des Gels mit einem Laserstrahl. An jeder DNA-Bande wird der Laserstrahl absorbiert  -> Ausschlag (peak)
hier: Ergebnis von 3 verschiedenen STR-Allelpaaren

Auswertung:
Zur Analyse der Länge der STR-Genabschnitte lässt man eine Kollektion von DNA-Stücken mit definierter DNA-Länge ("Marker-DNA") im Gel mitlaufen. Durch Vergleich mit diesen DNA-Fragmenten mit bekannter Länge werden den Banden Zahlenwerte zugeordnet. Beispiel: Entspricht die Bande einem DNA-Fragment der Marker-DNA mit einer Länge von 9.300 Basenpaaren --> Zahlenwert 9.3

Tabelle 1: Ergebnis eines DNA-Fingerprints
 Ermittlung der Zahlenpaare für jedes STR-Gen = DNA-Profil für die DNA-Datenbank

Lesehilfe: Die Zahlen, zum Beispiel 6 / 9.3 beim gesuchten STR-Gen "TH01" geben die Länge dieses DNA-Abschnitts bei Tatort-DNA und Verdächtigen-DNA an. Jedes Tabellenfeld enthält zwei Zahlenangaben, weil die Erbinformation in jeder Körperzelle doppelt vorliegt: ein STR-Allel vom Vater, ein STR-Allel von der Mutter des Verdächtigen.

 STR-Gen

Tatort-DNA

Verdächtiger Nr.1

Verdächtiger Nr.2

VWA 14 / 17 14 / 17 16 / 18
TH01 6 / 9.3 6 / 9.3 7 / 9.3
FGA 20 / 20 20 / 20 21 / 23
D12S391 20 / 21 20 / 21 20 / 21
SE33 19 / 25.2 19 / 25.2 27.2 / 27.2
D18S51 17 / 18 17 / 18 13 / 13
Die Wahrscheinlichkeit, dass zwei Menschen zufällig in allen sechs STR-Genen die gleichen Zahlenwerte besitzen ist winzig klein. Das Produkt der Einzelwahrscheinlichkeiten ergibt ca. 1: 1 Milliarde
Schema: Nachweis eines Gens mit Gensonde

Der Vaterschaftstest


Genetischer Fingerabdruck bei Pflanzen:

      Ein Eichenblatt als Zeuge

 verändert nach http://www.stern.de/panorama/2-kriminaltechnik-csi-deutschland-602807.html

Der "genetische Fingerabdruck", etwa aus Hautschuppen, überführt inzwischen Mörder, die sich Jahrzehnte sicher wähnten. Sogar der Gen-Code von Pflanzen hatte bereits seine forensische Premiere. Es war ein vertrocknetes Eichenblatt, das einen hoffnungslos erscheinenden Mordfall aus Wuppertal aufklären half. Im November 1998 fand die niederländische Polizei in einem Wald bei Venlo neben einer Straße die Leiche einer 30-jährigen Afrikanerin. Indizien führten schnell zu ihrem Ehemann, mit dem sie in Wuppertal im Streit gelebt hatte. Doch mangels Beweisen kam der Mann aus Togo aus der U-Haft frei. Fünf Jahre später lieferte ein Wuppertaler Kripo-Mann, der den Fall wieder aufrollte, im BKA ein unscheinbares Eichenblatt ab, das gleich nach der Tat im Kofferraum des Verdächtigen sichergestellt worden war. Ein BKA-Mann reiste nach Venlo, wo er Blätter von Eichen pflückte, die in der Nähe der Stelle wuchsen, wo die Leiche gefunden worden war. Dann zermahlte er dieses Material zu Pulver, löste die Zellen auf, isolierte und reinigte die empfindliche DNA. Nach endlosen Stunden mit Pipetten, Küvetten und einem surrenden Monster namens Kapillar-Elektrophoresegerät konnte er das Blatt aus dem Kofferraum mit Proben von 41 Bäumen in Venlo vergleichen. An einem Samstagabend, als er allein in seinem Labor war und sich über die Peaks der ausgedruckten Kurven beugte, machte es plötzlich Bingo: "Spur 102". Das Eichenblatt aus dem Kofferraum entsprach exakt dem Baum "S 10", der unmittelbar neben der erdrosselten Afrikanerin gestanden hatte. Der Mann aus Togo bekam wegen Totschlags acht Jahre Haft.
 

Von Wolfgang Metzner

 

Science fiction: Jurassic park

Schema: DNA-Profil (Der Spiegel)

Übungsfrage: Ergebnis der Gelelektrophorese:
 

Mit Hilfe des genetischen Fingerabdrucks lassen sich auch Verwandtschaftsverhältnisse nachweisen, z.B. in Vaterschaftstests. Hier muss beim Kind eine Bande mit der Mutter, die zweite mit dem Vater identisch sein. Man betrachte dazu die Abbildung. Wer ist der Vater?

 

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