Dank großer technologischer Fortschritte kann das Erbgut von Lebewesen heute in rasantem Tempo sequenziert werden. Vergleiche von Genomen, ob eng verwandter oder völlig unterschiedlicher Arten, bringen besonders interessante Erkenntnisse ans Licht. Auf diese Weise lassen sich Informationen zu phylogenetischen Verwandtschaftsverhältnissen, zur Merkmalsbildung oder zu Anpassungsfähigkeiten gewinnen.
Der Vergleich von Genomdaten ist jedoch mit kniffligen technischen Herausforderungen verbunden. Um den Analyseprozess zu vereinfachen, hat ein Wissenschaftlerteam um Prof. Michael Hiller vom Hessischen LOEWE-Zentrum für Translationale Biodiversitätsgenomik (TBG) eine neue Methode entwickelt und im Fachblatt vorgestellt Wissenschaft.
Beim Vergleich der Genome verschiedener Organismen werden wissenschaftliche Erkenntnisse in einem zweistufigen Prozess gewonnen: Zunächst müssen die einzelnen Gene innerhalb des Genoms der jeweiligen Art lokalisiert werden. Dieser Vorgang wird Genannotation genannt. Dann wird zum Vergleich im zweiten Schritt bestimmt, welche Gene in den beiden Organismen einander entsprechen; solche entsprechenden Gene werden Orthologe genannt. Beide Schritte sind technisch anspruchsvoll und erschweren die Gewinnung neuer Informationen aus den zu vergleichenden Genomdaten.
Das neue Rechenverfahren TOGA vereinfacht solche Analysen und geht beide Herausforderungen gemeinsam an. Das Akronym steht für „Tool to infer Orthologs from Genome Alignments“. Um orthologe Gene zu bestimmen, nutzen Forscher die Tatsache, dass die Teile in den Genen, die für Proteine kodieren, im Allgemeinen ähnlicher sind als die kodierenden Abschnitte anderer Gene. Die TOGA-Methode erweitert dieses Ähnlichkeitsprinzip auf den gesamten genomischen Kontext eines Gens.
„Wir haben nahezu vollständige Genome, also könnten wir sie genauso gut nutzen, anstatt uns nur auf die proteinkodierenden Teile zu konzentrieren. Durch den Vergleich ganzer Genome verschiedener Organismen und den Einsatz von maschinellem Lernen können wir orthologe Gene mit sehr hoher Genauigkeit bestimmen“, erklärt er Studienleiter Michael Hiller, Professor für Vergleichende Genomik am LOEWE-Zentrum TBG und der Senckenberg Gesellschaft für Naturforschung, der das Projekt am Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden gestartet hat.
Die Studie zeigte, dass orthologe Gene in anderen Säugetiergenomen genau lokalisiert werden können, indem nur die bekannten Gene von Mensch oder Maus verwendet werden. In ähnlicher Weise können bekannte Gene von Hühnern verwendet werden, um orthologe Gene in den Genomen anderer Vögel zu lokalisieren.
„Dies hat es uns ermöglicht, TOGA auf die Genome von Hunderten anderer Arten anzuwenden. Durch die Annotierung und Bestimmung orthologer Gene für mehr als 500 Säugetier- und 500 Vogelgenome haben wir die bisher größten artenübergreifenden Genressourcen für diese Wirbeltiergruppen generiert. Diese Ressourcen helfen dabei, die Phylogenie von Arten zu bestimmen und Veränderungen in Genen mit Veränderungen in Merkmalen in Verbindung zu bringen“, fügt Hiller hinzu.
An der Studie waren neben Hillers Team auch Wissenschaftler des Zoonomia Consortium beteiligt, einem internationalen Konsortium von Forschern, das die genomische Grundlage gemeinsamer und spezialisierter Merkmale bei Säugetieren untersucht. Ziel des Konsortiums ist es, die Möglichkeiten der vergleichenden Genomik als Werkzeug für die Humanmedizin und den Erhalt der biologischen Vielfalt zu nutzen.
Als Teil des Zoonomia-Konsortiums sind Hiller und weitere Senckenberg-Forscher auch an der Studie „Evolutionary Constraint and Innovation across Hunderts of Placental Mammalia“ beteiligt, die in derselben Ausgabe von veröffentlicht wird Wissenschaft und untersucht die Evolution von Säugetiergenomen.
Mehr Informationen:
Bogdan M. Kirilenko et al., Integrating gene annotation with orthology inference at scale, Wissenschaft (2023). DOI: 10.1126/science.abn3107