Sequenzierung des Genoms des Blauwals und der etruskischen Spitzmaus

Der Blauwal-Genom wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Molekularbiologie und Evolutionund das Genom der etruskischen Spitzmaus wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaftliche Daten.

Forschungsmodelle mit tierischen Zellkulturen können dabei helfen, große biologische Fragen zu beantworten, aber diese Werkzeuge sind nur dann nützlich, wenn man der richtigen Karte folgt.

„Das Genom ist ein Bauplan eines Organismus“, sagt Yury Bukhman, Erstautor der veröffentlichten Forschung und Computerbiologe in der Ron Stewart Computational Group am Morgridge Institute, einer unabhängigen Forschungsorganisation, die mit der University of Wisconsin zusammenarbeitet. Madison in aufstrebenden Bereichen wie regenerativer Biologie, Stoffwechsel, Virologie und biomedizinischer Bildgebung.

„Um Zellkulturen zu manipulieren oder Dinge wie die Genexpression zu messen, muss man das Genom der Art kennen – das macht mehr Forschung möglich.“

Das Interesse des Morgridge-Teams am Blauwal und der etruskischen Spitzmaus begann mit der Erforschung der biologischen Mechanismen hinter der „Entwicklungsuhr“ von James Thomson, emeritierter Direktor für regenerative Biologie bei Morgridge und langjähriger Professor für Zell- und regenerative Biologie an der UW School of Medicine und öffentliche Gesundheit.

Es ist allgemein bekannt, dass größere Organismen länger brauchen, um sich von einer befruchteten Eizelle zu einem ausgewachsenen Erwachsenen zu entwickeln, als kleinere Lebewesen, aber der Grund dafür ist unbekannt.

„Es ist gerade für grundlegende biologische Kenntnisse aus dieser Perspektive wichtig. Wie baut man ein so großes Tier? Wie kann es funktionieren?“ sagt Buchman.

Bukhman schlägt vor, dass eine praktische Anwendung dieses Wissens im aufstrebenden Bereich der stammzellbasierten Therapien liegt. Um eine Verletzung zu heilen, müssen sich Stammzellen in spezialisierte Zelltypen des betreffenden Organs oder Gewebes differenzieren. Die Geschwindigkeit dieses Prozesses wird durch einige der gleichen molekularen Mechanismen gesteuert, die auch der Entwicklungsuhr zugrunde liegen.

Was uns Genome von Tieren unterschiedlicher Größe über unsere eigene Gesundheit verraten können

Das Verständnis der Genome der größten und kleinsten Säugetiere könnte auch dazu beitragen, das biomedizinische Rätsel zu lösen, das als Petos Paradoxon bekannt ist. Dies ist ein merkwürdiges Phänomen, bei dem große Säugetiere wie Wale und Elefanten länger leben und weniger wahrscheinlich an Krebs erkranken – oft verursacht durch DNA-Replikationsfehler, die gelegentlich während der Zellteilung auftreten –, obwohl sie eine größere Anzahl von Zellen (und damit mehr Zellteilungen) haben ) als kleinere Säugetiere wie Menschen oder Mäuse.

Unterdessen wird die Kenntnis des etruskischen Spitzmausgenoms neue Erkenntnisse auf dem Gebiet des Stoffwechsels ermöglichen. Die Spitzmaus hat ein extrem hohes Oberflächen-Volumen-Verhältnis und eine schnelle Stoffwechselrate. Dieser hohe Energiebedarf ist auf seine geringe Größe zurückzuführen – nicht größer als ein menschlicher Daumen und wiegt weniger als einen Penny – was ihn zu einem interessanten Modell macht, um die Regulierung des Stoffwechsels besser zu verstehen.

Die Genomprojekte für Blauwale und etruskische Spitzmäuse sind Teil einer großen Gemeinschaftsinitiative, an der Dutzende von Mitwirkenden aus Institutionen in ganz Nordamerika und mehreren europäischen Ländern im Rahmen des Vertebrate Genomes Project beteiligt sind.

Die Aufgabe des VGP besteht darin, hochwertige Referenzgenome für alle lebenden Wirbeltierarten auf der Erde zusammenzustellen. Zu diesem internationalen Forscherkonsortium gehören Spitzenexperten für die Assemblierung und Kuratierung von Genomen.

„Das VGP hat eine Reihe von Methoden und Kriterien für die Erstellung eines Referenzgenoms festgelegt“, sagt Bukhman. „Genauigkeit, Kontiguität und Vollständigkeit sind drei Qualitätsmaßstäbe.“

Frühere Methoden zur Sequenzierung von Genomen verwendeten Short-Read-Technologien, die kurze Längen der DNA-Sequenz von 150 bis 300 Basenpaaren Länge, sogenannte Reads, erzeugen. Überlappende Lesevorgänge werden dann zu längeren zusammenhängenden Sequenzen, sogenannten Contigs, zusammengesetzt.

Aus kurzen Lesevorgängen zusammengesetzte Contigs sind im Vergleich zu Chromosomen von Säugetieren tendenziell relativ klein. Infolgedessen sind aus solchen Contigs rekonstruierte Entwurfsgenome in der Regel sehr fragmentiert und weisen viele Lücken auf.

Stattdessen verwendete das Team eine Long-Read-Sequenzierung mit Lesevorgängen von etwa 10.000 Basenpaaren Länge, wobei der Hauptvorteil längere Contigs und weniger Lücken sind.

„Dann können Sie andere Methoden wie optische Kartierung und Hi-C verwenden, um Contigs zu größeren Strukturen, sogenannten Gerüsten, zusammenzusetzen, und diese können so groß wie ein ganzes Chromosom sein“, erklärt Bukhman.

Die Forscher analysierten auch segmentale Duplikationen, große Bereiche duplizierter Sequenzen, die häufig Gene enthalten und im Vergleich zu anderen Arten, sei es nah oder entfernt, Einblick in evolutionäre Prozesse geben können.

Sie fanden heraus, dass der Blauwal in der jüngeren Vergangenheit eine große Zahl segmentaler Vervielfältigungen aufwies, mit einer größeren Anzahl von Exemplaren als der Große Tümmler und der Vaquita (der kleinste Wal der Welt, die Ordnung der Säugetiere, zu der Wale, Delfine und Schweinswale gehören). Während die meisten auf diese Weise erstellten Genkopien wahrscheinlich nicht funktionsfähig sind oder ihre Funktion noch unbekannt ist, identifizierte das Team mehrere bekannte Gene.

Eines davon kodiert für das Protein Metallothionein, von dem bekannt ist, dass es Schwermetalle bindet und deren Toxizität bindet – ein nützlicher Mechanismus für große Tiere, die beim Leben im Meer Schwermetalle ansammeln.

Wie Referenzgenome beim Artenschutz helfen können

Ein Referenzgenom ist auch für den Artenschutz nützlich. Der Blauwal wurde in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts fast bis zur Ausrottung gejagt. Es ist jetzt durch einen internationalen Vertrag geschützt und die Populationen erholen sich.

„In den Weltmeeren kommt der Blauwal praktisch überall vor, mit Ausnahme der Hocharktis. Wenn man also über ein Referenzgenom verfügt, kann man Vergleiche anstellen und die Populationsstruktur der verschiedenen Blauwalgruppen in verschiedenen Teilen der Welt besser verstehen.“ Globus“, sagt Bukhman. „Das Genom des Blauwals ist hochgradig heterozygot, es gibt immer noch eine große genetische Vielfalt, was wichtige Auswirkungen auf den Artenschutz hat.“

Dies wirft die Frage auf: Wie beschafft man Proben von einem großen, gefährdeten Lebewesen, das in den Weiten der Ozeane lebt?

„Die Logistik stellte mehrere Herausforderungen dar, darunter die Tatsache, dass Blauwalsichtungen in unserer Gegend sehr selten und nahezu unvorhersehbar sind“, sagt Susanne Meyer, Forschungsspezialistin an der University of California Santa Barbara, die über ein Jahr damit verbracht hat, die Genehmigungen und das Personal zu koordinieren und Ressourcen, die für die Beschaffung der Proben benötigt werden.

Nachdem ihr örtliches Walbeobachtungsteam den Zeitpunkt und die Koordinaten der Walsichtungen festgelegt hatte, beauftragten sie den lizenzierten Walforscher Jeff K. Jacobsen mit der Durchführung der Walbiopsien nach einem anerkannten Standard Hautbiopsietechnik für WaleDabei handelt es sich um ein speziell angefertigtes Biopsierohr aus Edelstahl, das an einem Armbrustpfeil angebracht ist.

Das Team erwarb Proben von vier Blauwalen, die Meyer zur Entwicklung und Vermehrung von Fibroblasten in Zellkulturen für die Genomsequenzierung und weitere Forschungszwecke nutzte.

Für das Genom eines Tieres spielt die Größe keine Rolle

Obwohl das Genom der etruskischen Spitzmaus nicht so ausführlich untersucht wurde wie das Genom des Blauwals, berichtete das Team über einen interessanten Befund.

„Wir haben herausgefunden, dass es im Genom der Spitzmaus relativ wenige segmentale Duplikationen gibt“, sagt Bukhman und betont gleichzeitig, dass dieses Ergebnis nicht unbedingt mit der geringen Größe der Spitzmaus selbst korreliert. „Während Spitzmäuse zu einer anderen Säugetierordnung gehören, haben einige ähnlich kleine Nagetiere viele segmentale Duplikationen, und die Hausmaus ist in diesem Sinne eine Art Champion, da sie die meisten davon hat. Es ist also keine Frage der Größe.“

Während das Vertebrate Genomes Project Fortschritte bei der Produktion hochwertigerer Referenzgenome für alle Wirbeltiere macht, hofft Bukhman, dass die Beiträge zu diesen Bemühungen die biologische Forschung auch in Zukunft weiter vorantreiben werden.