Was ist vergleichende Genomik?

Von Dr. Surat P, Ph.D.Bewertet von Dr. Tomislav Meštrović, MD, Ph.D.

Vergleichende Genomik ist ein Gebiet der Biologie, in dem das Genom verschiedener Arten miteinander verglichen wird, um evolutionäre und molekulare Unterschiede zwischen Arten zu verstehen. Die Entwicklung der kostengünstigen Sequenzierung der nächsten Generation hat die Analyse einer Vielzahl verwandter Genome mithilfe der vergleichenden Genomik ermöglicht. Dieser Artikel zielt darauf ab, die in der vergleichenden Genomik verwendeten Techniken und ihre Vor- / Nachteile zu beschreiben.

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• Genomsequenzierung und Genomvergleich
• DNA-Sequenzierung und Syntenie
• Homologe DNA-Analyse
• Phylogenetischer Abstand
• Vorteile der vergleichenden Genomik

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Genomsequenzierung und Genomvergleich

Die genetische Information wird von vier Nukleosiden kodiert: Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin. Die Bestimmung der Reihenfolge dieser Nukleoside in linearer DNA bildet die Grundlage der Sequenzierung. Neben dem menschlichen Genom wurden nun auch die Genome mehrerer Modellorganismen sequenziert – darunter Schimpansen, Mäuse, Fruchtfliegen, Kugelfische, Spulwürmer, Bäckerhefe und Bakterien. Insgesamt wurden bisher die Genome von mehr als 1000 prokaryotischen Organismen und 1300 Arten sequenziert.

Der erste Schritt in der vergleichenden Genomik besteht darin, allgemeine Merkmale wie Genomgröße, Anzahl der Gene und Chromosomenzahl zu vergleichen. Zum Beispiel hat Arabidopsis (eine Pflanze) ein kleineres Genom als Drosophila, die Fruchtfliege, die doppelt so viele Gene hat. Interessanterweise ähnelt die Genomgröße von Arabidopsis der des Menschen, was darauf hindeutet, dass die Genomgröße kein Indikator für Komplexität oder Evolutionsstatus ist.

DNA-Sequenzierung und Syntenie

Syntenie ist eine Methode, bei der Gene in ähnlichen Blöcken über Spezies hinweg angeordnet werden, um ähnliche und unähnliche Regionen zu identifizieren. Das Ausmaß der Ähnlichkeit und Unähnlichkeit kann über die Chromosomen variieren. Zum Beispiel entspricht Chromosom 20 des Menschen fast vollständig dem zweiten Chromosom der Maus.

In ähnlicher Weise entspricht das siebzehnte Chromosom des Menschen dem Chromosom 11 der Maus. So kann die Analyse zeigen, wie chromosomale Veränderungen in Maus- und menschlichen Chromosomen stattgefunden haben, seit sie vor fast 75 bis 80 Millionen Jahren von einem gemeinsamen Vorfahren abgewichen sind.

Homologe DNA-Analyse

Eine andere Methode, die in der vergleichenden Genomik verwendet wird, ist die Homologieanalyse, bei der homologe Chromosomen verschiedener Spezies ausgerichtet werden. Zum Beispiel wurde in einer Studie das Gen für das Enzym Pyruvatkinase beim Menschen mit der homologen Enzymsequenz von Hund, Maus, Huhn und Zebrafisch (unter anderem) ausgerichtet, und anschließend wurden die Regionen mit hoher Sequenzähnlichkeit aufgetragen.

Eine solche Analyse zeigte eine hohe Ähnlichkeit in den Enzymsequenzen von Mensch und Makaken (einem Primaten), während Huhn und Zebrafisch nur in den kodierenden Regionen Ähnlichkeit zeigten. Eine solche Analyse kann verwendet werden, um herauszufinden, welche genomischen Merkmale im Laufe der Evolution erhalten geblieben sind und umgekehrt, welche Merkmale sich diversifiziert haben.

Phylogenetischer Abstand

Der phylogenetische Abstand ist ein nichtparametrisches Merkmal, mit dem der Grad der Trennung zwischen zwei Organismen gemessen wird. Dieser Parameter basiert auf der Anzahl der Sequenzänderungen, die sich über einen Zeitraum von Jahren oder Generationen angesammelt haben. Dieser Abstand ist umgekehrt proportional zur Sequenzähnlichkeit zwischen den Organismen – d. H. Weniger die Sequenzähnlichkeit, mehr ist der phylogenetische Abstand zwischen ihnen.

Über längere phylogenetische Entfernungen (z. B. eine Milliarde Jahre) seit der Trennung der Organismen können nur allgemeine Rückschlüsse gezogen werden. Für engere phylogenetische Entfernungen, wie z. B. 50-200 Millionen Jahre seit der Trennung, kann jedoch funktionelle und nicht funktionelle DNA unterschieden werden, was anschließend zur Identifizierung von kodierenden Regionen, nicht kodierenden RNAs, regulatorischen Regionen usw. führen kann.

Für phylogenetische Entfernungen von weniger als 5 Millionen Jahren können Sequenzunterschiede verwendet werden, um kleinere und subtile Unterschiede in Form und Gestalt abzuleiten. Daher können vergleichende genomische Unterschiede viele aussagekräftige Informationen liefern.

Vorteile der vergleichenden Genomik

Vergleichende Genome haben zu interessanten Erkenntnissen geführt, wie zum Beispiel, dass menschliches Genom und Fruchtfliege 60% ihrer Gene teilen. Außerdem haben fast zwei Drittel der Krebsgene homologe Gene in der Fruchtfliege. Solche Ergebnisse haben tiefgreifende Auswirkungen auf die menschliche Gesundheitsforschung. Neben der Gesundheit hat es auch Auswirkungen auf verschiedene Bereiche wie Landwirtschaft, Biotechnologie, Zoologie, Naturschutzbiologie usw.

Weiterführende Literatur

• Alle Inhalte der Genomik
• Was ist Genomik?
• Next Generation Sequencing: Die Grundlagen
• Genomanalyse
• Wie wichtig ist die intronische Variation?

Geschrieben von

Dr. Surat P

Dr. Surat promovierte 2016 am Tata Institute of Fundamental Research (Mumbai, Indien) in Zellbiologie und Mechanobiologie. Vor ihrer Promotion studierte Surat einen Bachelor of Science (B.Sc .) Abschluss in Zoologie, während dessen sie ein Sommerstipendium der Indischen Akademie der Wissenschaften erhielt, um die an AIDs beteiligten Proteine zu untersuchen. Sie produziert Feature-Artikel zu einer Vielzahl von Themen, wie medizinische Ethik, Datenmanipulation, Pseudowissenschaft und Aberglaube, Bildung, und die menschliche Evolution. Sie begeistert sich für Wissenschaftskommunikation und schreibt Artikel zu allen Bereichen der Life Sciences.

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