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Neue DNA-Sequenzierungsmethode Puzzlehilfe für Genetiker

Redakteur: Christian Lüttmann

Bcuhsbtaen in einem Wort richtig zu ordnen, ist ein Kinderspiel gegen das Puzzle, was bei Gensequenzierungen gelöst werden muss. Dort wird das Genom zunächst in Bruchstücke zerlegt, damit diese schneller ausgelesen werden können. Und dann muss alles wieder zusammengesetzt werden. Hier kommt nun eine neuentwickelte Technik von Forschern des Friedrich-Miescher-Labors für biologische Arbeitsgruppen ins Spiel, die bei diesem Genpuzzle hilft, die richtigen Teile zu finden.

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Mit mikroskopisch kleinen Perlen werden DNA-Stränge markiert, um sie nach dem Auslesen per Gensequenzierung leicht wieder richtig zusammenzusetzen.
Mit mikroskopisch kleinen Perlen werden DNA-Stränge markiert, um sie nach dem Auslesen per Gensequenzierung leicht wieder richtig zusammenzusetzen.
(Bild: tue mpg)

Tübingen – Man stelle sich eine Bildergalerie mit den atemberaubendsten Bildern von Wildtieren vor. Begeistert sucht man sich einen Favoriten aus und bestellt einen Abzug. Doch anstelle einer Kopie des Bildes wird der Abzug in geschredderten Stücken und ohne Anleitung zum Zusammensetzen geliefert. So ähnlich läuft es bei den gegenwärtigen Methoden der Genomsequenzierung. Genforscher müssen das große Ganze mühsam zusammensetzen, in diesem Fall die DNA-Sequenz eines Genoms. Quantität wird der Vorzug vor Kontext gegeben: Das bedeutet, dass es zwar möglich ist, ganze Genome von Personen oder Pathogenen an einem einzigen Tag zu sequenzieren, das Resultat besteht dann aber aus Millionen kurzer Sequenzen – wie ein Genompuzzle.

Für Forscher des Friedrich-Miescher-Laboratoriums (FML) am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie und biologische Kybernetik war dieses Genompuzzle Grund genug, an einer Alternative zu arbeiten. Denn die aktuelle Sequenzierungsstrategie ist alles andere als perfekt. „Schlimmstenfalls laufen wir Gefahr, lebensbedrohliche Krankheiten oder schwerwiegende Mutationen zu übersehen, da wichtige Informationen wie beispielsweise umgeordnete Chromosomen verloren gehen können, wenn wir das Genom für die Sequenzierung zerlegen. Und wenn wir nicht wieder zusammensetzen, was wir auseinandergebrochen haben, verlieren wir die Perspektive aufs große Ganze“, sagt Frank Chan, Gruppenleiter am FML.

So können Forscher beim Gen-Puzzle schummeln

Das Ergebnis der Wissenschaftler um Chan: Haplotagging, eine neuartige DNA-Sequenzierungsmethode. „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“, erklärt Chan.

Im Labor geschieht das durch Vermengen der DNA mit mikroskopisch kleinen Perlen. Jede Perle trägt Enzyme, die einen DNA-Strang herausgreifen – ähnlich wie man eine einzelne Nudel aus einem Teller Spaghetti herausfischt, indem man sie um die Gabel wickelt – und an ihm in regelmäßigen Abständen einen einzigartigen „Barcode“ anbringt. Nachdem die DNA auseinandergebrochen wurde, lässt sich mithilfe dieses Barcodes feststellen, woher die einzelnen Stücke stammen. Auf diese Art erlaubt das Verfahren laut Chan, genetische Studien zu reduzierten Kosten durchzuführen, ohne die Qualität in größerem Maße zu beeinträchtigen.

Ergänzendes zum Thema
Haplotagging in der Biodiversitäts-Forschung

Um die Leistungsfähigkeit der neuen Sequenziertechnik „Haplotagging“ zu demonstrieren, haben sich Forschungsleiter Frank Chan und sein Team mit Wissenschaftlern der Universität Cambridge zusammengetan. Die Kollegen dort haben zwei Schmetterlingsarten der Gattung Heliconius in Ecuador nahe den Ausläufern der Anden untersucht. Aufgrund ihrer einzigartigen Ernährung können diese Schmetterlinge für Vögel ungenießbar sein. Sie tragen auffällige farbige Muster, die interessierte Vögel abschrecken. Mit der Zeit haben sich die zwei Schmetterlingsarten evolutionär aneinander angeglichen und imitieren sich gegenseitig: Schmetterlinge beider Arten aus dem Tiefland haben auffällige, strahlenartige rote Streifen und ein einziges gelbes Band, während Schmetterlinge aus dem Hochland unabhängig von der Artzugehörigkeit zwei gelbe Bänder vor dem Hintergrund schwarzer Flügel zeigen.

Ein Heliconius-Schmetterling aus dem Tiefland
Ein Heliconius-Schmetterling aus dem Tiefland
( Bild: Luca Livraghi )

Und natürlich lernen die Vögel dazu und greifen anstelle der häufigen die selteneren, vermeintlich wohlschmeckenden Schmetterlinge heraus. Daher ist es für die Schmetterlinge gefährlich, Hybridnachwuchs mit dem falschen Partner zu zeugen: Ein gemischtes Flügelmuster macht ihn zur offensichtlichen Beute der Vögel. Dementsprechend waren die Forscher überrascht, als sie eine neue hybride Form von Schmetterlingen in der Hybridzone fanden, die außer dem Doppelband aus dem Hochland auch die Streifen des Tieflands trugen. Mithilfe von Haplotagging haben Chan und sein Team die Genome sequenziert und fanden heraus, dass die Ausbreitung eines einzigen Gens namens WntA vom Hochland ins Tiefland für die Entstehung eines in der Farbgebung völlig neuen Schmetterlings verantwortlich war.

Autovervollständigung von Gensätzen

Der Nutzen von Haplotagging beschränkt sich nicht allein auf die Erforschung von Biodiversität (s. Ergänzendes zum Thema). Chans Forschergruppe verwendete das Verfahren auch, um ihre Kollaborationspartner in Oxford bei der Entwicklung einer neuen Methode zur schnellen Identifikation von Genvarianten zu unterstützen. Das so genannte Quilt-Verfahren funktioniert ähnlich wie automatische Textvorschläge, die angefangene Sätze beim Tippen auf dem Smartphone ergänzen. 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 großer Populationsgenomstudien an“, sagt Chan.

Doch die Bedeutung von Haplotagging wird auch außerhalb von Universitäten und Forschungszentren spürbar werden, ist sich der Gruppenleiter sicher: „Dies wird die derzeitige Konsumgenetik-Industrie auf den Kopf stellen.“ Manche Unternehmen verkaufen bereits DNA-Testsets an Privatverbraucher, die sie mit der Aussicht locken, gesundheitliche Risiken aufzudecken oder lang vermisste Angehörige wiederzufinden. Dieser Markt hat allein in den USA einen Jahresumsatz von einer Milliarde US-Dollar bereits überschritten. Die neue Sequenzierungsmethode könnte hier zukünftig für einigen Wirbel sorgen, glaubt Chan.

Originalpublikationen:

Meier, J.I., Salazar, P.A., Kučka, M., Davies, R.W., Dréau, A., Aldás, I., Box-Power, O., Nadeau, N., Bridle, J.R., Rolian, C.P., Barton, N.H., McMillan, W.O., Jiggins, C.D., Chan, Y.F.: Haplotype tagging reveals parallel formation of hybrid races in two butterfly species, PNAS, 2021; DOI: 10.1073/pnas.2015005118

Davies, R.W, Kučka, M., Su, D., Shi, S., Flanagan, M., Cunniff, C.M., Chan, Y.F., Myers, S.: Rapid genotype imputation from sequence with reference panels, Nature Genetics, 2021; DOI: 10.1038/s41588-021-00877-0

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