Im Druckformat füllt die Sequenz des menschlichen Genoms etwa 100 riesige Bücher mit enger Lesbarkeit.

Genomprojekte sind wissenschaftliche Vorhaben, die letztendlich darauf abzielen, die vollständige Genomsequenz eines Organismus (sei es ein Tier , eine Pflanze , ein Pilz , ein Bakterium , ein Archaebakterium , ein Protist oder ein Virus ) zu bestimmen und proteinkodierende Gene sowie andere wichtige genomische Merkmale zu annotieren. [ 1 ] Die Genomsequenz eines Organismus umfasst die Gesamtheit der DNA- Sequenzen aller Chromosomen des Organismus. Bei einem Bakterium mit nur einem Chromosom zielt ein Genomprojekt darauf ab, die Sequenz dieses Chromosoms zu kartieren. Beim Menschen, dessen Genom 22 Paare von Autosomen und 2 Geschlechtschromosomen umfasst, besteht eine vollständige Genomsequenz aus 46 separaten Chromosomensequenzen.

Das Humangenomprojekt ist ein bekanntes Beispiel für ein Genomprojekt. [ 2 ]

Genom-Assemblierung

Die Genom-Assemblierung bezeichnet den Prozess, bei dem eine große Anzahl kurzer DNA-Sequenzen zu einer Rekonstruktion der ursprünglichen Chromosomen zusammengesetzt wird . Bei einer Shotgun-Sequenzierung wird die gesamte DNA einer Quelle (meist eines einzelnen Organismus , von Bakterien bis zu Säugetieren ) zunächst in Millionen kleiner Fragmente zerlegt. Diese Fragmente werden dann von automatisierten Sequenziergeräten „gelesen“. Ein Genom-Assemblierungsalgorithmus gleicht alle Fragmente aneinander ab und erkennt alle Überlappungen zwischen zwei kurzen Sequenzen, den sogenannten Reads . Diese überlappenden Reads können zusammengeführt werden, und der Prozess wird fortgesetzt.

Die Genom-Assemblierung ist ein sehr schwieriges rechnerisches Problem, das dadurch zusätzlich erschwert wird, dass viele Genome eine große Anzahl identischer Sequenzen, sogenannter Repeats , enthalten . Diese Repeats können Tausende von Nukleotiden lang sein und kommen an verschiedenen Stellen vor, insbesondere in den großen Genomen von Pflanzen und Tieren .

Die resultierende (vorläufige) Genomsequenz entsteht durch die Kombination der sequenzierten Contigs und die anschließende Verwendung von Verknüpfungsinformationen zur Erstellung von Scaffolds. Die Scaffolds werden entlang der physikalischen Karte der Chromosomen positioniert und bilden so einen „goldenen Pfad“.

Montagesoftware

Ursprünglich entwickelten die meisten großen DNA-Sequenzierungszentren ihre eigene Software zur Assemblierung der erzeugten Sequenzen. Dies hat sich jedoch mit zunehmender Komplexität der Software und der steigenden Anzahl an Sequenzierungszentren geändert. Ein Beispiel für einen solchen Assembler ist das Short Oligonucleotide Analysis Package (SOAP), das von BGI für die De-novo-Assemblierung von Genomen in menschlicher Größe, Alignment, SNP- Detektion, Resequenzierung, Indel-Identifizierung und die Analyse struktureller Variationen entwickelt wurde. [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]

Genomannotation

Seit den 1980er Jahren hat die Molekularbiologie und Bioinformatik den Bedarf an DNA-Annotation geschaffen . DNA-Annotation oder Genomannotation ist der Prozess der Zuordnung biologischer Informationen zu Sequenzen , insbesondere zur Identifizierung der Positionen von Genen und zur Bestimmung ihrer Funktion.

Fertigstellungszeit

Bei der Sequenzierung eines Genoms gibt es üblicherweise schwer zu sequenzierende Regionen (oft Regionen mit hochrepetitiver DNA ). Daher sind „vollständige“ Genomsequenzen selten wirklich vollständig, und Begriffe wie „Arbeitsentwurf“ oder „im Wesentlichen vollständig“ werden verwendet, um den Status solcher Genomprojekte genauer zu beschreiben. Selbst wenn jedes Basenpaar einer Genomsequenz bestimmt wurde, sind wahrscheinlich noch Fehler vorhanden, da die DNA-Sequenzierung kein absolut akkurates Verfahren ist. Man könnte auch argumentieren, dass ein vollständiges Genomprojekt die Sequenzen der Mitochondrien und (bei Pflanzen) der Chloroplasten umfassen sollte, da diese Organellen über eigene Genome verfügen.

Es wird häufig berichtet, dass das Ziel der Genomsequenzierung darin besteht, Informationen über den gesamten Genbestand dieser Genomsequenz zu erhalten. Der Anteil eines Genoms, der für Gene kodiert, kann sehr gering sein (insbesondere bei Eukaryoten wie dem Menschen, wo die kodierende DNA nur wenige Prozent der gesamten Sequenz ausmacht). Es ist jedoch nicht immer möglich (oder wünschenswert), nur die kodierenden Regionen separat zu sequenzieren. Da Wissenschaftler zunehmend die Rolle dieser nicht-kodierenden DNA (oft als Junk-DNA bezeichnet ) verstehen, wird es immer wichtiger, eine vollständige Genomsequenz als Grundlage für das Verständnis der Genetik und Biologie eines jeden Organismus zu haben.

Genomprojekte beschränken sich in vielerlei Hinsicht nicht nur auf die Bestimmung der DNA-Sequenz eines Organismus. Sie umfassen beispielsweise auch die Genvorhersage , um die Lage und Funktion der Gene im Genom zu ermitteln. Darüber hinaus gibt es verwandte Projekte zur Sequenzierung von ESTs oder mRNAs , die zur Lokalisierung der Gene beitragen können.

Historische und technologische Perspektiven

Historisch gesehen war es bei der Sequenzierung eukaryotischer Genome (wie beispielsweise des Fadenwurms Caenorhabditis elegans ) üblich, das Genom zunächst zu kartieren , um eine Reihe von Orientierungspunkten zu erhalten. Anstatt ein Chromosom in einem Durchgang zu sequenzieren, wurde es Stück für Stück sequenziert (wobei man im Vorfeld wusste, wo sich das jeweilige Stück ungefähr auf dem größeren Chromosom befindet). Technologische Fortschritte, insbesondere die gestiegene Rechenleistung von Computern, ermöglichen es heute, Genome in einem einzigen Durchgang zu sequenzieren („ Shotgun-Sequenzierung “). Allerdings weist dieser Ansatz im Vergleich zur traditionellen Methode einige Einschränkungen auf.

Verbesserungen in der DNA-Sequenzierungstechnologie haben dazu geführt, dass die Kosten für die Sequenzierung einer neuen Genomsequenz stetig gesunken sind (in Bezug auf die Kosten pro Basenpaar ), und neuere Technologien haben auch dazu geführt, dass Genome viel schneller sequenziert werden können.

Bei der Auswahl neuer Genomsequenzierungen für Forschungseinrichtungen liegt der Schwerpunkt auf Arten, die entweder als Modellorganismen von hoher Bedeutung sind oder eine Relevanz für die menschliche Gesundheit aufweisen (z. B. pathogene Bakterien oder Krankheitsüberträger wie Mücken ) oder die wirtschaftlich bedeutsam sind (z. B. Nutztiere und Kulturpflanzen). Ein zweiter Schwerpunkt liegt auf Arten, deren Genome zur Beantwortung wichtiger Fragen der molekularen Evolution beitragen (z. B. der Gemeine Schimpanse ).

Zukünftig dürfte die Sequenzierung von Genomen noch günstiger und schneller werden. Dadurch können vollständige Genomsequenzen vieler verschiedener Individuen derselben Art bestimmt werden. Für den Menschen ermöglicht dies ein besseres Verständnis der menschlichen genetischen Vielfalt .

Beispiele

L1 Dominette 01449, das Hereford-Rind, das als Studienobjekt des Rindergenomprojekts dient
Die Genomsequenz des Riesenmammutbaums wurde aus einem einzigen befruchteten Samen extrahiert, der von einem 1360 Jahre alten Baum im Sequoia/Kings Canyon Nationalpark geerntet wurde .

Bei vielen Organismen gibt es Genomprojekte, die entweder bereits abgeschlossen sind oder in Kürze abgeschlossen sein werden, darunter:

Siehe auch

Referenzen

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  2. ^ „Potenzielle Vorteile der Forschung im Rahmen des Humangenomprojekts“ . US-Energieministerium , Informationen zum Humangenomprojekt. 09.10.2009. Archiviert vom Original am 08.07.2013 . Abgerufen am 18.06.2010 .
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  10. Scott, Alison D.; Zimin, Aleksey V.; Puiu, Daniela; Workman, Rachael; Britton, Monica; Zaman, Sumaira; Caballero, Madison; Read, Andrew C.; Bogdanove, Adam J.; Burns, Emily; Wegrzyn, Jill; Timp, Winston; Salzberg, Steven L.; Neale, David B. (1. November 2020). „ Eine Referenzgenomsequenz für den Riesenmammutbaum“ . G3 : Genes, Genomes, Genetics . 10 (11): 3907–3919 . doi : 10.1534/g3.120.401612 . PMC 7642918. PMID 32948606 .