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      Genome aus ihren Puzzleteilen wieder zusammensetzen

      Haplotagging, eine bahnbrechende DNA-Sequenzierungsmethode, erm?glicht unerreicht schnelle, genaue und effiziente Analysen und bewahrt dabei das Gesamtbild des Genoms

      15. Juni 2021

      Ein Forscherteam des Friedrich-Miescher-Labors für biologische Arbeitsgruppen hat eine neue Methode zur DNA-Sequenzierung entwickelt, die schnelles und effizientes Aufspüren von genetischer Information erm?glicht. Ihr neues Verfahren mit dem Namen Haplotagging erlaubt es Forschenden, schnell und pr?zise Genomdaten rückzuverfolgen und abzugleichen. Haplotagging liefert reichhaltige Information über Genome und erleichtert die genaue Bestimmung unserer genetischen Struktur. Das erm?glicht schnelle genetische Analysen menschlicher Populationen oder deckt bis dato unerwartete Artvermischungen in der Natur auf.

      Man stelle sich eine Bildergalerie mit den atemberaubendsten Bildern von Menschen und Wildtieren vor. Begeistert sucht man sich einen Favoriten aus und bestellt einen Abzug. Mit Ungeduld wartet man auf die Lieferung der Kopie; nur um festzustellen, dass der Abzug in geschredderten Stücken und ohne Anleitung zum Zusammensetzen geliefert wird. Die gegenw?rtigen Methoden der Genomsequenzierung haben ?hnliche Nachteile: Die Genomsequenz zu lesen ist vergleichbar mit dem Lesen eines Buchs, dessen Seiten herausgerissen und zerfetzt wurden – die einzelnen W?rter sind zwar erhalten, aber durcheinander und fragmentiert – eine fehleranf?llige und unbefriedigende Situation. 

      Dies ist die Situation, mit der die heutigen Genforscher konfrontiert sind: Forschende müssen das gro?e Ganze mühsam zusammensetzen, in diesem Fall die DNA-Sequenz eines Genoms. Quantit?t wird der Vorzug vor Kontext gegeben: Das bedeutet, dass man zwar ganze Genome von Personen oder Pathogenen an einem einzigen Tag sequenzieren kann, das Resultat aber aus Millionen kurzer Sequenzen besteht – sozusagen wie ein Genompuzzle. ?Bestenfalls macht das die Sache komplizierter. Schlimmstenfalls laufen wir Gefahr, lebensbedrohliche Krankheiten oder schwerwiegende Mutationen zu übersehen, da wichtige Informationen wie beispielsweise umgeordnete Chromosomen verloren gehen k?nnen, wenn wir das Genom für die Sequenzierung zerlegen. Und wenn wir nicht wieder zusammensetzen, was wir auseinandergebrochen haben, verlieren wir die Perspektive aufs gro?e Ganze“, kommentiert Frank Chan, Gruppenleiter am Friedrich-Miescher-Laboratorium.

      Wenn DNA-Str?nge wie Spaghetti entwirrt werden

      An diesem Punkt hat die Forschergruppe vom Max-Planck-Campus in Tübingen angesetzt und eine neuartige DNA-Sequenzierungsmethode namens Haplotagging entwickelt. ?Mit diesem neuen Verfahren wird die Konfiguration der DNA gekennzeichnet und erhalten, bevor die DNA zur Sequenzierung zerlegt wird. Das ist vergleichbar damit, die Rückseiten von Puzzlestücken zu nummerieren, bevor man das Puzzle auseinandernimmt. Das Verfahren kann in seiner Bedeutung kaum übersch?tzt werden, da es einen wesentlichen Schwachpunkt der gegenw?rtig vorherrschenden Sequenzierungstechnologien angeht“, erkl?rt Chan. 

      Im Labor geschieht das durch Vermengen der DNA mit mikroskopisch kleinen Perlen. Jede Perle tr?gt Enzyme, die einen DNA-Strang herausgreifen – ?hnlich wie man eine einzelne Nudel aus einem Teller Spaghetti herausfischt, indem man sie um die Gabel wickelt – und an ihm in regelm??igen Abst?nden einen einzigartigen Barcode anbringt. Nachdem die DNA auseinandergebrochen wurde, kann man mithilfe dieses Barcodes feststellen, woher die einzelnen Stücke stammen. Auf diese Art erlaubt das Verfahren, genetische Studien zu reduzierten Kosten ohne Beeintr?chtigung der Qualit?t in gr??erem Ma?stab durchzuführen. ?Haplotagging l?st teilweise das ein, was man sich ursprünglich von DNA-Sequenzierung versprochen hat”, erg?nzt Chan.

      Schmetterlinge mit einer Zielscheibe auf den Flügeln

      Um die Leistungsf?higkeit ihrer neuen Sequenziertechnik zu demonstrieren, hat sich die Tübinger Gruppe mit Forschern der Universit?t Cambridge zusammengetan, die zwei Schmetterlingsarten der Gattung Heliconius in Ecuador nahe den Ausl?ufern der Anden untersucht haben. Aufgrund ihrer einzigartigen Ern?hrung k?nnen diese Schmetterlinge für V?gel, die ihre Fressfeinde sind, ungenie?bar sein. Sie tragen auff?llige farbige Muster, die interessierte V?gel abschrecken. Mit der Zeit haben sich die zwei Schmetterlingsarten evolution?r aneinander angeglichen und imitieren sich gegenseitig: Schmetterlinge beider Arten aus dem Tiefland haben auff?llige, strahlenartige rote Streifen und ein einziges gelbes Band, w?hrend Schmetterlinge aus dem Hochland unabh?ngig von der Artzugeh?rigkeit zwei gelbe B?nder vor dem Hintergrund schwarzer Flügel zeigen.

      Und natürlich lernen die V?gel dazu und greifen anstelle der h?ufigen die selteneren, vermeintlich wohlschmeckenden Schmetterlinge heraus. Daher ist es für die Schmetterlinge gef?hrlich, Hybridnachwuchs mit dem falschen Partner zu zeugen: Ein gemischtes Flügelmuster macht ihn zur offensichtlichen Beute der V?gel. Dementsprechend waren die Forschenden h?chst überrascht, als sie eine neue hybride Form von Schmetterlingen in der Hybridzone fanden, die au?er dem Doppelband aus dem Hochland auch die Streifen des Tieflands trugen. Mithilfe von Haplotagging konnten Chan und sein Team die Genome sequenzieren und fanden heraus, dass die Ausbreitung eines einzigen Gens namens WntA vom Hochland ins Tiefland für die Entstehung eines in der Farbgebung v?llig neuen Schmetterlings verantwortlich war, die auf Grund ihrer H?ufigkeit l?stige Fressfeinde auf Abstand h?lt.

      Schneller genetischer Abgleich  

      Der Nutzen von Haplotagging beschr?nkt sich nicht allein auf die Erforschung von Biodiversit?t. Chans Forschergruppe verwendete das Verfahren auch, um ihre Kollaborationspartnern in Oxford bei der Entwicklung einer neuen Methode zur schnellen Identifikation von Genvarianten zu unterstützen. Das sogenannte QUILT-Verfahren funktioniert ?hnlich wie automatische Textvorschl?ge, die angefangene S?tze beim Tippen auf dem Smartphone erg?nzen. Dadurch, dass Haplotagging den weiteren Kontext bewahrt, unterstützt es QUILT dabei, verschiedene Informationsbruchstücke zu verbinden und versprengte DNA-Fragmente korrekt zu identifizieren. ?Wir konnten zeigen, dass QUILT in Verbindung mit Haplotagging-Daten besser als andere Sequenzierungsplattformen abschneidet. Haplotagging und QUILT bieten sich eventuell für eine riesige Bandbreite gro?er Populationsgenomstudien an“, bekr?ftigt Chan.

      Doch die Bedeutung von Haplotagging wird auch au?erhalb von Universit?ten und Forschungszentren spürbar werden: ?Dies wird die derzeitige Konsumgenetik-Industrie auf den Kopf stellen“, sagt Chan voraus. Sogenannte Direct-to-Consumer-Unternehmen wie 23andMe oder Ancestry verkaufen DNA-Testsets an Privatverbraucher, die sie mit der Aussicht locken, gesundheitliche Risiken aufzudecken oder lang vermisste Angeh?rige wiederzufinden. Dieser robuste Markt hat allein in den USA einen Jahresumsatz von einer Milliarde US-Dollar bereits überschritten. Die ?konomische Landschaft dieses Sektors k?nnte sich mit dem Aufkommen der schnellen, kostengünstigen und genauen Sequenzierungsmethode dramatisch ?ndern. Letztlich wollen Chan und sein Team Biologinnen und Biologen das Leben leichter machen: ?Wir hoffen, dass wir in Zukunft weniger Zeit damit verbringen werden, angestrengt nach Einzelteilen im DNA-Puzzle zu suchen, sondern stattdessen uns zurücklehnen und die Sch?nheit des Lebens und der Artenvielfalt bewundern k?nnen.“

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