Modellorganismen sind für die biomedizinische Forschung unerlässlich und haben viele wichtige wissenschaftliche Entdeckungen ermöglicht. Die Fähigkeit, die Genome dieser Modelle zu sequenzieren, ist ein leistungsfähiges Werkzeug, um die genetischen Faktoren zu untersuchen, die sich auf die menschliche Gesundheit auswirken.
Die Hausmaus (Mus musculus) und die Spitzratte (Rattus norvegicus) werden aufgrund ihrer genetischen Ähnlichkeit mit dem Menschen häufig in der Forschung eingesetzt. Aber ein anderes Nagetier steigt in den Reihen auf – Arvicanthis niloticus, die Nilratte.
Neue Forschungsergebnisse, die heute in veröffentlicht wurden BMC-Biologie stellt eine qualitativ hochwertige Referenzgenomanordnung für die Nilratte bereit und erweitert ihr Potenzial als Modellorganismus.
„Wir brauchen Forschungswerkzeuge, die es uns ermöglichen, mit der Nilratte die gleichen Dinge zu tun, die wir mit der Labormaus gewohnt sind“, sagt Yury Bukhman, ein Bioinformatiker in der Stewart Computational Biology Group in Morgridge und Seniorautor der Projekt. „Das Referenzgenom zu haben, ist ein Fortschritt in Richtung dieses Ziels.“
Insbesondere dient die Nilratte als alternatives Modell in zwei Forschungsbereichen, in denen Labormäuse und -ratten Einschränkungen haben – Typ-2-Diabetes und Störungen, die mit einem gestörten zirkadianen Rhythmus einhergehen.
Mäuse und Ratten sind nachtaktive Tiere und daher für die Modellierung menschlicher zirkadianer Zyklen weniger geeignet. Darüber hinaus können sie bei einer fettreichen Ernährung prädiabetische Symptome entwickeln, aber sie entwickeln selten langfristige diabetische Komplikationen wie Menschen mit der Krankheit.
„Man kann ihre Gene verändern, man kann ihnen übertriebene Mengen an Fett geben oder Chemikalien verwenden, um den Prozess zu beschleunigen. Aber das sind eine Menge zusätzlicher verwirrender Faktoren, die man in das Tiermodell hineindrückt, um zu bekommen, was man will“, sagt Huishi Toh , ein Assistenzprojektwissenschaftler an der University of California Santa Barbara, der mit Jamie Thomson, emeritierter Direktor für regenerative Biologie bei Morgridge und Professor an der UCSB, zusammengearbeitet hat.
Die Nilratte ist tagaktiv, tagsüber aktiv wie der Mensch. Es hat im Vergleich zu nachtaktiven Nagetieren auch mehr Photorezeptoren in seinem Auge, was es für die Untersuchung menschlicher Netzhauterkrankungen relevant macht – einschließlich diabetischer Retinopathie.
„Es gibt noch viel Raum für Entdeckungen bei Typ-2-Diabetes mit schwer zu beantwortenden Fragen. Deshalb dachten wir, dass es vielleicht an der Zeit ist, ein neueres Tiermodell zu riskieren“, sagt Toh. „Bedeutet es, dass es genauer ist oder dass Sie andere Modelle ersetzen können? Nein, natürlich nicht. Aber Sie können auch andere Informationen finden, die nützlich sein können.“
Ein weiterer Vorteil der Nilratte besteht darin, dass sie als Auszuchtmodell dient, was bedeutet, dass ihre Genetik eine vielfältige Population widerspiegelt. Viele Stämme von Labormäusen werden seit Generationen durch Inzucht gezüchtet, wodurch stabile Populationen entstehen, die genetisch nahezu identisch sind. Dies ist nützlich, um die experimentelle Variabilität zu reduzieren, aber weniger nützlich, wenn die komplexen genetischen Faktoren untersucht werden, die zu Krankheiten beitragen.
„Wir wissen auch, dass Epigenetik wirklich wichtig ist – die Kreuzung der Umwelt mit den genetischen Komponenten –, also müssen wir beide untersuchen. Deshalb benötigen wir ein sehr hochwertiges Genom, um dies zu ermöglichen“, sagt Toh.
Das Genom der Nilratte ist das Ergebnis einer großen internationalen Zusammenarbeit, an der das Vertebrate Genomes Project beteiligt ist, ein Konsortium von Forschern, das darauf abzielt, Genome aller Wirbeltierarten in Referenzqualität zusammenzustellen.
Die Technologie zur Herstellung einer vollständigen und hochgenauen Genomsequenz ist relativ neu. Um ein großes Genom zu sequenzieren, muss die DNA-Sequenz normalerweise in kürzere Längen zwischen 100 und 300 Nukleotiden zerhackt und dann wieder zu längeren zusammenhängenden Sequenzen (Contigs) zusammengesetzt werden. Aber dieser Ansatz neigt dazu, viele Lücken zu hinterlassen.
„Ein wichtiges Maß für die Qualität des Genoms ist die Länge eines durchschnittlichen Contigs. Grundsätzlich gilt: Je länger es ist, desto weniger Lücken hat man“, sagt Bukhman. „Unsere ist eine der längsten.“
Das Forschungsteam wandte die Long-Read-Sequenzierungstechnologie an, um längere Contigs aus Reads mit einer Länge von etwa 10.000 bis 20.000 Nukleotiden zusammenzusetzen. Sie verwendeten auch mehrere zusätzliche Technologien, um Contigs zu Gerüsten zusammenzufügen, die sich über die Länge eines Chromosoms erstrecken. Schließlich waren sie in der Lage, zwei Kopien des Genoms vollständig aufzulösen – diejenige, die das sequenzierte Individuum von seiner Mutter geerbt hatte, und diejenige von seinem Vater.
„Diese Technologien entwickeln sich sehr schnell“, sagt Bukhman. „Ich denke, der heilige Gral wäre, einfach ein ganzes Chromosom sequenzieren zu können, und zwar genau. Das ist jedoch noch nicht geschehen.“
Ein weiterer Maßstab ist die Vollständigkeit des Genoms. Das Team analysierte ihre Nilrattensequenz durch eine Datenbank namens BUSCO (Benchmarking Universal Single Copy Orthologe), die eine Reihe von Genen bereitstellt, die häufig in der interessierenden phylogenetischen Gruppe, in diesem Fall Nagetieren, vorkommen.
„Wir spielen im Grunde in derselben Liga wie die anderen Nagetier-Modellorganismen“, sagt Bukhman. „Wir finden vollständige Sequenzen von 99 % der BUSCO-Gene, sodass uns nicht viele proteincodierende Sequenzen fehlen.“
Mit einer hochwertigen Sequenz in der Hand suchten die Forscher nach Mustern im Genom, wie z. B. Genen, die bei Nilratten im Vergleich zu Hausmäusen eine unterschiedliche Anzahl von Kopien aufweisen, die Kandidaten für zukünftige Studien sein könnten.
Sie verwendeten auch Kinderminer und Serial KinderMiner (SKiM) – Anwendungen, die von der Stewart Computational Biology Group in Morgridge entwickelt wurden –, um PubMed-Abstracts abzufragen und Gene zu identifizieren, die mit Typ-2-Diabetes in Verbindung stehen.
„Zu diesem Zeitpunkt haben wir noch keine ‚rauchende Waffe'“, sagt Bukhman. „Sie können immer eine Liste von Genen bekommen. Aber woher wissen Sie dann, dass sie bei Diabetes wirklich wichtig sind? Das wird jahrelange experimentelle Arbeit erfordern.“
Jetzt, da die Nilratte über ein qualitativ hochwertiges Referenzgenom verfügt, hoffen Bukhman und Toh beide, dass die Art in der biomedizinischen Forschung weiter verbreitet wird.
„Die Leute wehren sich dagegen, neue Tiermodelle zu verwenden, weil es viel Geld, viel Mühe und viel Risiko bedeutet“, sagt Toh. „Aber wir haben uns entschieden, den unkonventionellen Weg einzuschlagen. In der Forschung besteht Überleben meiner Meinung nach darin, unterschiedliche Geschmacksrichtungen, unterschiedliche Flugbahnen zu finden. Und wir haben einen Teil dieses Risikos beseitigt.“
Mehr Informationen:
Huishi Toh et al., Eine haplotypaufgelöste Genomanordnung der Nilratte erleichtert die Erforschung der genetischen Grundlagen von Diabetes, BMC-Biologie (2022). DOI: 10.1186/s12915-022-01427-8