30-mal größer als menschliches Genom Forscher analysieren Mistel-Genom

Genomanalysen ermöglichen tiefe Einblicke in die verschiedensten Organismen, egal ob es Lebewesen oder Pflanzen sind. Forscher der Uni Hannover haben nun das komplette Genom der weißbeerigen Mistel analysiert. Zum Vergleich: Das Mistel-Genom ist fast 30-mal größer als das menschliche.

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Hannover – Weltweit arbeiten Wissenschaftler daran, das Erbgut von Pflanzen zu entschlüsseln. Die detaillierten Kenntnisse über die biochemischen Prozesse in Pflanzen können wichtige Beiträge für Landwirtschaft, Umwelt und Medizin leisten. Einem Forscherteam der Leibniz Universität Hannover (LUH) ist es jetzt gelungen, Einblicke in das Genom der weißbeerigen Mistel, Viscum album, zu gewinnen. Die Mistel ist eine halbparasitische immergrüne Blütenpflanze, die auf Ästen verschiedener Bäume wächst und sich durch einen ganz besonderen Lebenszyklus auszeichnet. Zudem ist die Mistel für ihre besonderen Inhaltsstoffe bekannt, die in der Humanmedizin bei verschiedenen Erkrankungen ihren Einsatz finden. Das Genom der Mistel konnte bisher jedoch aufgrund seiner exzeptionellen Größe nicht analysiert werden. Das Mistelgenom ist mit rund 90 Milliarden Nukleotiden - den Grundbausteinen des Genoms - etwa 30-mal größer als das Genom des Menschen.

Der Trick: Keine direkte DNA-Analyse

Um die Analyse des Mistelgenoms zu bewerkstelligen, bedienten sich die Wissenschaftler um Lucie Schröder (M. Sc.), Prof. Hans-Peter Braun und Prof. Helge Küster vom Institut für Pflanzengenetik der LUH, eines Tricks: Das Genom, das aus DNA besteht, wurde nicht direkt analysiert. Vielmehr wurden Transkripte des Genoms, die für die Proteine der Mistel kodieren, isoliert und mithilfe von Enzymen in DNA umgeschrieben. Resultierende kürzere DNA-Moleküle konnten nachfolgend einer systematischen Srequenzanalyse unterzogen werden.

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Insgesamt konnten die Forschenden auf diese Weise mehr als 39.000 Gensequenzen der Mistel aufklären und die entsprechenden Proteinsequenzen vorhersagen. Es gelang ihnen damit erstmals eine systematische Bestandsaufnahme, welche Proteine und damit Enzyme in der Mistel vorkommen und welche Stoffwechselleistungen von dieser Pflanze vollbracht werden können. Darunter sind zahlreiche bekannte Enzyme, die allgemein für Lebensvorgänge in Pflanzen von Bedeutung sind, aber auch solche, die als Spezialproteine der Mistel einzustufen sind, beispielsweise die Viscotoxine und Viscolektine, denen ein hohes medizinisches Wirkstoffpotenzial zugesprochen wird. Ferner konnten die Forscher zeigen, dass sich die DNA der proteinkodierenden Abschnitte des Mistelgenoms im Vergleich zur DNA anderer Blütenpflanzen durch eine besonders große Stabilität auszeichnet. Diese könnte zur Widerstandsfähigkeit der Mistel beitragen.

Öffentliche Datenbank für weiter Untersuchungen

„An Parasiten und Halbparasiten kann man viel lernen, da sie nicht alle Lebensprozesse selbst ausführen müssen“, erläutert Prof. Hans-Peter Braun. „Wenn bestimmte Strukturen fehlen, wird klarer, wofür diese gut sind und wie sie genau funktionieren.“ Die Mistel hat beispielsweise einen besonderen Atmungsmechanismus, dessen Untersuchung auch zu einem besseren Verständnis von Fehlfunktionen der Atmungskette bei Mensch und Tier bei Erkrankungen beitragen könnte.

Das Projekt ist zunächst als Beginn einer systematischen molekularen Charakterisierung der Mistel einzustufen, da bisher nur ein kleiner Teil der ermittelten DNA-Sequenzen ausgewertet werden konnte. Um weitere Analysen zu beschleunigen, wurde eine öffentlich zugängliche Datenbank eingerichtet, in der die mehr als 39.000 Gensequenzen einsehbar sind. Die Forschenden erwarten, dass die Nutzung dieser Datenbank die Erforschung dieser außergewöhnlichen Pflanze in der Zukunft sehr fördern wird.

Originalpublikation: Schröder, L, Hohnjec N, Senkler M, Senkler J, Küster H, Braun HP (2022), The gene space of European mistletoe (Viscum album); The Plant Journal 109(1): 278-294; doi: 10.111/tpj.15558

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