EMPOP - eine innovative humane mtDNA Datenbank

Die Analyse der mitochondrialen DNA (mtDNA) hat in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Das mitochondriale Erbgut liegt in jeder Zelle in hunderten Kopien vor, ist sehr stabil gegenüber Degradierung, und wird maternal weitervererbt. Dadurch eignet sich die mtDNA besonders für paläogenetische Analysen und für die Rekonstruktion der Evolutionsgeschichte des Menschen. In der forensischen Analyse etablierte sich die mtDNA Analytik als technologische Methode der Wahl für Fälle, bei denen konventionelle Kern-DNA Marker keine Ergebnisse liefern (z.B. bei Haarschäften, Knochen- und Zahnresten). Für die biostatistische Bewertung von mtDNA Profilen sind umfangreiche Sammlungen mitochondrialer Datensätze unerlässlich, da die Häufigkeit der Kombination der unterschiedlichen Polymorphismen, der mitochondriale Haplotyp, und die phylogeographische Zuordnung von mtDNA Linien nur in entsprechenden Datenbanken bestimmt werden kann. Diese Datenbanken leiden an einer unakzeptabel hohen Fehlerrate, die auf die Komplexität der Analytik und das Fehlen von Qualitätsmaßstäben zur Überprüfung der Daten zurückzuführen sind. Dieses Projekt hat 2 Hauptziele: a) die Etablierung und Evaluierung von geeigneten Methoden zur Überprüfung von mitochondrialen Datensätzen. Diese Methoden werden in Kooperation mit dem Institut für Mahematik, LFU Innsbruck entwickelt. Sie basieren auf der Visualisierung von genetischer Variabilität und dem Abgleich der Daten mit der weltweiten Phylogenie, was eine effiziente Beurteilung der Datengüte erlaubt. In Betracht kommen Quasi-mediane Netzwerke, Kompatibilitäts-Tests, Neighbor-joining analysis und logische Verknüpfungen. b) die Generierung von Etalondatensätzen für die Kalibrierung der westeurasischen, zentral- und ostasiatischen Phylogenie. Dies trägt zum Verständinis der asiatischen Phylogenie bei und stellt eine qualitätiv hochwertige Basis für weiterführende Arbeiten dar. Dieses Vorhaben ist eingebettet in das gemeinschaftliche internationale Projekt EMPOP (EDNAP Mitochondrial DNA Population Database) der European DNA Profiling Group (EDNAP) mit Sitz der Projektverwaltung am Institut für Gerichtliche Medizin in Innsbruck. Das Institut unterhält das Österreichische DNA-Zentrallabor, welches international als Referenzlabor tätig ist. Im Rahmen vom EMPOP wurden Ringversuche durchgeführt, deren Resultate eindeutig die Defizienzen der traditionellen mtDNA-Analytik aufzeigen. Erste Ansätze für die Lösung dieser problematischen Bereiche wurden bereits erarbeitet und publiziert. EMPOP soll eine multidisziplinäre wissenschaftliche Ressource darstellen, die von verschiedenen genetischen Fachgebieten (humane Evolutionsforschung, medizinische Genetik, Forensische Molekularbiologie) genutzt werden kann.

Das vorliegende FWF Translational Research Project L397 "EMPOP - an innovative human mtDNA database" förderte Arbeiten zur Etablierung neuer Standards in der gerichts-medizinischen mitochondrialen DNA (mtDNA) Analytik. Das Projekt verlief äußerst erfolgreich, was nicht nur zu zahlreichen publizierten Originalarbeiten und Einladungen zu Gastvorträgen auf internationalen Kongressen führte. In den letzten 3 Jahren avancierte die EMPOP Datenbank (http://empop.org) zur führenden Kapazität in der Qualitätskontrolle von mtDNA Daten und deren Anwendung in der Forensik. Plakative Erfolge sind unter anderem die rezente Stellungnahme des deutschen Bundesgerichtshofs zur rechtlichen Akzeptanz von EMPOP, die explizite Befürwortung von EMPOP durch die International Society for Forensic Genetics, die zentrale Rolle in der verbindlichen Qualitätskontrolle von mtDNA Daten vor dem Begutachtungsverfahren in den beiden führenden forensischen Journalen, sowie die weltweite kooperative Verflechtung mit Universitäten und regierungsnahen Institutionen. Daraus wurden bereits weiterführende Kooperationsarbeiten angebahnt, darunter sogar eine positive Förderzusage im Rahmen eines NIJ- Projektes (National Institute of Justice, USA). Die mtDNA gilt als der sensitivste molekulare Marker, da die Kopienzahl pro Zelle deutlich höher ist als jene der Kern DNA. Der maternale Vererbungsmodus der mtDNA kann nützlich für die Untersuchung von verwandtschaftlichen Fragestellungen sein, limitiert allerdings auch die biostatistische Aussage auf Beobachtungen in Datenbanken. MtDNA Datenbanken wiesen in der Vergangenheit überhöhte Fehlerraten auf und standen deshalb im Kreuzfeuer der Kritik, was sich negativ auf die Akzeptanz der Ergebnisse in der Forensik auswirkte. Die Forschungsarbeiten des vorliegenden FWF-Projektes hatten das Ziel, diese Situation zu verbessern. Eine der wichtigsten Errungenschaften war die Entwicklung einer Softwaresuite basierend auf mathematischen Modellen, mit Hilfe derer mtDNA Daten verwaltet, beurteilt und sicher gespeichert werden können. Diese Arbeiten ergaben überraschenderweise, dass immer noch 80% der neu generierten mtDNA Studien Fehler enthalten, etwa die Hälfte davon in unakzeptablem Ausmaß (>10%). Es wurde eine neue Suchmaschine programmiert, mit der die hinlänglich bekannten Probleme der Alignierung und Notation von mtDNA Sequenzen gelöst und erstmals objektive Datenbanksuchen durchgeführt werden können. Als zweites Standbein des Projektes wurden zahlreiche Studien beispielhafter Datensätze von forensisch relevanten Populationen erstellt (darunter insgesamt 3.380 neue Haplotypen), Samplingstrategien diskutiert, moderne Laborprotokolle präsentiert und adäquate a posteriori Untersuchungen zu Qualitätskontrolle und Interpretation der Daten dargeboten. Gerade in den letzten Jahren avancierte EMPOP zur bedeutendsten und international anerkannten Kapazität in der Etablierung und Kontrolle von mtDNA Daten unter besonderer Berücksichtigung der Anforderungen der forensischen Genetik.